天冷了,肠道菌群帮你御寒

  
  内蒙古锡林郭勒大草原的冬天,干旱、寒冷、多风,平均温度可以达到零下20℃,极端低温可达零下42℃。不少动物都会选择用冬眠来度过这样的冬天。但一种只有巴掌大的小型啮齿动物——布氏田鼠,不仅不肯冬眠,还发展出了一系列对抗低温的生理机制。

  中国科学院动物研究所王德华课题组,多年间一直探究布氏田鼠的生理适应调节机制。近来他们发现,这种小动物不仅依靠穴居抱团、屯粮养膘来对抗严寒,就连肚子里的肠道微生物,也做出了重要贡献。日前,他们在《国际微生物生态学会会刊》(The ISME Journal)上发表的一篇论文,揭示了肠道菌群在布氏田鼠体温调节和代谢产热过程中发挥的作用。

  肠道菌群介导低温适应

  研究人员发现,在4℃左右的空调房里待过4周后,布氏田鼠除了出现体重下降、摄食量增加、产热能力增强等常规反应外,它们肠道菌群的组成和比例也发生了改变。

  “这是意料之中的。”论文通讯作者、中科院动物所研究员王德华告诉《中国科学报》,“很多科学家已经证实,低温环境会改变小鼠的肠道菌群,同时这种改变与小鼠的能量代谢表型,如体重、摄食量、褐色脂肪组织线粒体解偶联蛋白1的表达等,密切相关。”

  研究人员显然不满足于此,接着,他们给一些田鼠饲喂抗生素,部分消除它们自身携带的肠道微生物。然后将这些“无菌田鼠”分组进行菌群移植,一部分植入住在温暖环境中的田鼠肠道菌;另一部分植入居住在寒冷环境中的田鼠肠道菌。结果发现,尽管这些田鼠接下来都一样生活在室温环境下,但移植了低温菌群的动物的产热和摄食量都明显高于移植常温菌的动物。

  结合药理学实验,他们确证来自低温田鼠的菌群能通过激活去甲肾上腺素—PKA信号通路,促进褐色脂肪组织线粒体解偶联蛋白1的表达,从而增强动物的产热能力,帮助它们度过寒冷难关。

  “我们的研究表明,‘肠道菌群—肠—脑’之间可以相互作用,来调控动物对寒冷环境的适应能力。”论文第一作者之一、博士研究生薄亭贝说,“像布氏田鼠这样的非冬眠小型哺乳动物,跟它们的肠道菌群之间存在这样一种协同进化机制。”

  有趣的是,由于恒温动物的肠道内温度环境也比较稳定,人们通常认为它们的肠道菌群不容易受到外界环境温度影响。甚至有人提出,低温下哺乳动物的肠道菌群发生改变,可能仅仅是因为“天冷吃得多”。而这一次,研究人员终于确认,在摄食量不变的情况下,低温环境可以直接导致肠道菌群的改变。

  动物肠道菌研究大有可为

  近年来,肠道菌群的研究越来越热。由于种种原因,对人类的肠道菌群研究要显著多于对野生动物的研究。

  “的确,人体肠道菌群的研究与医学应用联系更为紧密,但动物研究由于实验设计更灵活,机理挖掘更充分,具有不可替代的作用和意义。”王德华说。

  这是他们课题组第二项围绕布氏田鼠及其肠道菌群的研究。在2018年发表于《微生物组》(Microbiome)上的一项研究中,他们指出,布氏田鼠“抱团取暖”的聚群行为不仅能够减少热量散失,还能降低体内核心温度,从而降低个体的能量需求。

  更有趣的是,“抱团”还能促进肠道中有益菌的增加,这些有益菌能产生更多短链脂肪酸,为宿主提供能量来源。

  “仅仅是和同类挤成一团,就能降低能量需求,降低摄食量,似乎是一种很好的减肥途径。”该论文的主要作者之一、动物所副研究员张学英笑道,“聚群行为如何促进有益菌生长,如何降低能量需求,这是一个很迷人的问题。”

  王德华表示,未来课题组会花更多的时间和精力去探索肠道菌群与宿主之间的相互关系及其对宿主生理功能的调节机制。

  提供减肥新思路

  在这几项研究中,“褐色脂肪组织”扮演的角色非常引人注目。这是普遍存在于哺乳动物体内的一种高度特化的产热组织。大家通常所说的脂肪——白色脂肪组织的主要作用是储存过剩的能量;而褐色脂肪组织的主要功能则是产热和调节体内营养平衡,能够防止动物过度肥胖。

  近年来的肥胖机理研究中,褐色脂肪组织是不折不扣的“明星”研究对象。那么,这些有关肠道菌群和褐色脂肪组织的研究,是否能为现代人非常关注的“减肥”问题提供一些启示呢?

  本次研究证实,低温暴露既能刺激褐色脂肪组织代谢,但也会导致过度摄食。如果能结合低温环境和饮食控制,则有可能达到减肥功效。

  此前还有研究表明,将寒冷环境下小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠中,无菌小鼠发生了白色脂肪组织的褐变,也就是一部分白色脂肪细胞转化成了米色脂肪细胞(白色脂肪细胞与褐色脂肪细胞之间的过渡状态),从而加快了脂肪燃烧。

  “从人类的角度来讲,没有必要为了减肥而故意去承受寒冷。但是这些研究提示我们,或许可以模拟寒冷环境下肠道微生物的变化情况,通过植入某些特异的菌种来改善肠道菌群的功能,从而达到减肥的功效。”王德华说。

  相关论文链接:

  https://doi.org/10.1038/s41396-019-0492-y

  https://doi.org/10.1186/s40168-018-0473-9

  作者:李晨阳    来源:中国科学报
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