科研丨Cell子刊(IF:31.3): 母体纤维缺失会改变后代的微生物群, 导致轻度炎症和肥胖倾向

编译：微科盟溧阳，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读   

饮食，尤其是纤维含量，在维持健康的肠道微生物群方面发挥着重要作用，从而促进肠道和代谢健康。微生物群组成的另一个主要决定因素是生命早期获得的特定微生物。因此，我们假设哺乳期母亲饮食的改变可能会持续影响后代的微生物群组成和健康状况。因此，本研究观察到，尽管后代食用富含纤维的饮食，但喂养哺乳期母鼠的低纤维饮食会导致后代出现持久的微生物群失调，包括分类多样性降低和变形菌门物种丰度增加。这种微生物群失调与细菌侵入内粘液层的增加、低度肠道炎症以及暴露于肥胖饮食后显著加剧的微生物群依赖性肥胖增加有关。因此，母亲的饮食是后代微生物群组成的关键长期决定因素，影响肠道健康和肥胖及其相关疾病的易感性。  

图文摘要

论文ID

原名：Maternal fiber deprivation alters microbiota in offspring, resulting in low-grade inflammation and predisposition to obesity

译名：母体纤维缺失会改变后代的微生物群，导致轻度炎症和肥胖倾向

期刊：Cell Host & Microbe

IF：31.316

发表时间：2022.12

通讯作者：Jun Zou，Andrew T. Gewirtz

通讯作者单位：美国佐治亚州立大学

DOI号：10.1016/j.chom.2022.10.014

实验设计

结果

1.哺乳期母鼠喂食低纤维饲粮会影响后代微生物组、肠道和代谢 

用于生物医学研究的小鼠通常饲喂以谷物为基础的啮齿动物饲料(GBC)。GBC由相对未精制的成分组成，这导致了批次之间存在差异，混淆了基于饮食的研究，从而促使人们使用“开源”饮食，这些饮食的成分定义明确，由相对不变的成分组成。虽然存在可变性，但GBC本身富含纤维(15%-25%)，包括可溶性/可发酵纤维，可供肠道微生物利用，从而促进肠道和代谢健康。相比之下，“开源”饮食通常只含有5%的纤维，因此被认为是低纤维饮食。此外，所用的纤维通常是不溶且高度耐发酵的纤维素。因此，这种低纤维饮食无法支持健康的肠道微生物利用，导致肠上皮生长停滞、轻度炎症，并促进肥胖，尤其是当这种低纤维膳食也富含饱和脂肪时。尽管饮食引起的肠道菌群变化是可逆的，但我们假设哺乳期饮食引起的微生物失调可能对其后代的宿主-微生物关系造成持久的不利影响。如图1A所示，我们通过在幼鼠出生后不久将哺乳期母鼠的饮食从GBC改为低纤维低脂饮食(LF-LFD)或低纤维高脂饮食(LF-HFD)来验证这一假设。LF-HFD 60%的热量来自脂肪，而使用LF-LFD的目的是阐明高脂肪和低纤维的相对作用。哺乳期饮食一直维持到幼鼠3周龄断奶，在此期间分析母鼠和幼鼠的粪便微生物群和代谢表型。 与我们在非哺乳期小鼠中发表的研究类似，通过16S rRNA基因测序和Uni-Frac/主坐标分析(PCoA)对粪便微生物群进行分析，发现喂食GBC的母鼠与喂食低纤维饲料的母鼠肠道菌群存在明显的基于饮食的微生物聚类模式(图1B)。此外，各组幼鼠的微生物与各自母鼠相似，这表明，饮食对肠道微生物的影响确实已经传递给了后代。UniFrac距离的测量证实，这些差异具有统计学意义(图1C)。此外，先前在喂食低纤维饲料的非哺乳期小鼠中观察到的主要生物失调特征也出现在缺乏纤维的哺乳期母鼠及其幼鼠中。根据观察到的分类群数量(图1D)和均匀度，发现纤维缺乏的母鼠及其幼鼠表现出较低的α-多样性(图1E)。同时也观察到Faith系统发育多样性有降低趋势，但在缺乏纤维的母鼠中没有统计学意义(图1F)。此外，纤维缺乏改变了门水平上的肠道微生物组成，包括母鼠和断奶幼鼠的变形菌门丰度增加(图1G-1I)。在小肠微生物组中也观察到类似的微生物失调特征。因此，与微生物群垂直传播的概念一致，母亲在哺乳期饮食改变会引起刚断奶幼鼠出现肠道微生物失调。

哺乳期母鼠低纤维饮食引起了代谢表型的变化，这与之前在非哺乳期小鼠中观察到的结果相似。与喂食GBC的母鼠相比，3周LF-HFD导致体重增加，但不显著；而两种低纤维饮食都会导致母鼠脂肪增加和葡萄糖耐量降低(图1J-1N)。低纤维饮食也导致结肠重量和长度减少，这表明先前描述的肠道表型也在哺乳期小鼠中表现出来。类似的代谢表型在刚断奶的幼鼠中也很明显。与母亲喂食GBC的幼鼠相比，LF-LFD和LF-HFD的母鼠更大程度上会导致3周龄幼鼠体重/脂肪增加，非空腹血糖水平升高(图1O-1R)。幼鼠肠道形态没有随着这些代谢表型发生明显变化，而在直接摄入这些食物的母鼠中观察到。通过流式细胞仪对肠道先天免疫细胞进行分析发现，幼鼠出现轻度肠道炎症，包括小肠和结肠中M1/M2巨噬细胞比例增加，中性粒细胞和单核细胞水平升高。这些变化与CD4和CD8 T细胞的变化以及B细胞频率的降低有关，这可能反映了炎症细胞的增加。

图1 哺乳期母鼠饲喂低纤维饮食会影响后代的微生物群和代谢健康。

(A)方案：在哺乳期分别饲喂谷物基础饲粮(GBC)、低纤维低脂肪饲粮(LF-LFD)和低纤维高脂肪饲粮(LF-HFD)。母鼠和小鼠在哺乳期结束时安乐死；通过16S rRNA测序分析粪便微生物组成(每组母鼠n=4，每组幼鼠n=8-9)；(B)基于非加权UniFrac的PCoA分析；(C) GBC组与LF-LFD/LF-HFD组菌群之间的UniFrac距离；(D) OTU丰富度的稀疏曲线；(E)肠道菌群的Alpha多样性；(F) Faith系统发育多样性；(G)门水平相对丰度；(H)厚壁菌门与拟杆菌门比值；(I)变形菌门的百分比。母鼠哺乳期结束时代谢数据(每组n=6-8)，包括(J)体重、(K)卵巢周围脂肪垫重量；(L)脂肪垫与体重的比率；(M)腹内葡萄糖耐量试验(GTT)；(N) GTT曲线下面积(AUC)。幼鼠断奶期代谢数据(每组n=9-10)包括(O)断奶时体重；(P)绝对周脂肪量；(Q)周脂肪率；(R)非空腹血糖水平。   

2.母体纤维缺乏对后代微生物组的影响是长期的

接下来，我们研究了如果小鼠维持富含纤维的饮食，即GBC，母体哺乳期饮食是否会继续影响幼鼠微生物和表型(图2A)。对12周龄的幼鼠(即喂食GBC 9周后)的粪便微生物分析发现，喂食GBC并不能弥补由于母体纤维缺乏导致的α多样性减少(图2B–2D)。PCoA分析显示哺乳期母鼠摄入GBC和低纤维使得后代小鼠之间微生物组成存在显著差异(图2E和2F)。这种差异在门水平上仍然很明显(图2G)，LF-LFD和LF-HFD喂养的母鼠后代中变形菌门丰度均显著升高(图2H)。每毫克粪便中的细菌总水平发生改变且与可发酵纤维含量成正比，但在其后代中没有差异，表明细菌密度没有受到母体饮食的影响。

图2 母体纤维缺乏持续影响后代微生物群，并加剧后代饮食诱导的肥胖。

(A)方案：哺乳期母鼠按指定的饮食喂养，雄性后代小鼠在3周龄断奶，饲喂GBC至12周龄，收集粪便进行16S rRNA测序，然后进行LF-HFD 4周(每组n=5-9只)。(B) 12周龄小鼠肠道菌群α多样性；(C) Pielou’s均匀度；(D) OTU丰富度的稀疏曲线；基于非加权UniFrac(E)和加权UniFrac(F)的PCoA分析12周龄的后代肠道微生物群的β多样性；(G)门水平相对丰度；(H)变形菌门相对丰度。实验结束时测量后代小鼠代谢数据包括(I)体重；(J)全身脂肪；(K)瘦肉质量；(L)附睾脂肪、肠系膜脂肪和棕色脂肪组织(BAT)重量；(M)测量血液中胆固醇水平；(N)空腹血糖水平；(O和P)通过腹腔注射葡萄糖进行葡萄糖耐量试验(GTT)；(Q)计算GTT的AUC；胰岛素耐量试验期间的血糖以(R)绝对浓度或与(S)初始值的相对变化表示；(T)计算S的AUC。     

3.母体纤维缺乏显著增加了后代饮食引起肥胖的倾向 

接下来，我们研究了母体纤维缺乏对后代代谢表型的影响，LF-HFD长期以来被广泛用于模拟饮食诱导的肥胖(DIO)。我们发现，LF-LFD和LF-HFD母鼠的后代在断奶时体重都有所增加，持续喂养GBC的母鼠后代在随后的几周内体重增加不明显(图2I)。然而，任何一种低纤维饮食的母鼠都会导致幼鼠严重的DIO表型，表现为体重快速增加、脂肪量增加、瘦肉质量减少，以及进行LF-HFD 4周后主要脂肪库的质量增加(即16周龄小鼠)(图2I–2L)。这种严重的DIO与代谢综合征的其他指标平行，即高胆固醇血症、血糖异常和胰岛素抵抗(图2M-2T)。因此，母体纤维缺乏对代谢的持久影响是适度的，而后代保持富含纤维的饮食对DIO有高度易感性。     

4.母体纤维缺乏通过影响微生物群促进DIO 

在小鼠中，减少小鼠窝数会增加哺乳期小鼠的热量消耗。实验诱导的结肠炎的倾向肥胖也可以被视为一种炎症性疾病，我们推测，低纤维饮食可能会导致母鼠摄入更多热量，在哺乳期将这些热量传递给后代，从而促使它们产生DIO。然而，减少窝数并没有改变12周龄小鼠对DIO的倾向。因此，我们假设，缺乏纤维饮食母鼠的后代出现DIO加剧是由其微生物失调驱动的。为了验证这一观点，我们比较了从8周龄开始并在整个DIO过程中，使用或不使用广谱抗生素消除微生物对GBC饮食和纤维缺乏饮食母鼠的子代的影响(图3A)。抗生素并没有改善GBC喂养的母鼠后代的DIO，但在很大程度上缓解了纤维缺乏母鼠后代表现出的DIO恶化(图3B-3E)。与先前的研究一致，抗生素减少了DIO诱导的血糖异常(图3F-3H)。此外，母体纤维缺乏不会加剧抗生素介导的微生物群消除的幼鼠的血糖异常(图3F-3H)。在LF-HFD 4周前停止使用抗生素，也减弱了母体纤维缺乏对幼鼠DIO的影响。这一结果表明，缺乏纤维母鼠的后代对DIO的易感性是由暴露于致肥胖饮食的微生物群决定的。我们还通过共住研究了微生物群在母体纤维缺乏导致的DIO恶化中的作用。具体而言，断奶后，饲喂GBC或LF-LFD的母鼠的后代被放置在一个笼子中，以实现肠道微生物群的自然交换(图3I)，使共住小鼠具有相似的微生物群，如基于非加权UniFrac距离和变形菌门相对丰度所示(图3J和3K)。这些微生物群的正常化与免疫细胞以及对DIO的敏感性相似相关(图3L–3O)，从而进一步支持母体纤维缺乏对微生物组成的影响介导了DIO加剧的观点。此外，共同饲养的小鼠DIO程度与GBC饲养的母鼠的非共同饲养后代相似，这表明母鼠传递给后代的微生物具有保护作用。

通过粪便微生物群移植研究母体纤维缺乏导致的微生物组变化在多大程度上可以加剧DIO的程度。首先，给8周龄无菌小鼠施用12周龄GBC喂养的后代的粪便悬液，这些后代在哺乳期饲喂GBC、LF-LFD或LF-HFD饮食。4周后，这些小鼠暴露于LF-HFD 4周(图4A)。在移植母体纤维缺乏后代粪便菌群的受体小鼠中出现肥胖和血糖异常，表明微生物组成会影响母体纤维缺乏引起的小鼠DIO表型(图4B-4F)。接下来，探究了变形菌门的丰度，发现其在喂食低纤维饮食母鼠的后代中富集，并且可能会影响DIO。清除小鼠肠道微生物，然后移植GBC饮食小鼠的粪便菌群，补充/不补充富含变形菌的菌群(PEC)，16S rRNA测序表明其含有98%的Proteobacteria，主要是Aggregatebacter属和Sutterella属(图4G)。这些小鼠前4周进行GBC饮食，后4周进行LF-HFD(图4H)。在粪便移植中添加PEC不会显著改变体重，但会导致葡萄糖耐量适度增加，并改变附睾脂肪质量与体重的比例(图4I-4L)。在粪便悬液中加入变形菌分离物，即Aggregatibacter菌株，得到了类似的DIO增强效果(图4M-N)。这种DIO增强与FMT后4周结肠M1/M2比率增加和中性粒细胞轻度内流有关。这些结果进一步支持了以下假设：肠道微生物的改变，特别是变形菌水平升高的微生物群，有助于母体缺乏纤维导致的肥胖倾向。

图3 通过抗生素或共同居住消除了母体纤维缺乏导致的后代DIO恶化。

(A)方案：从8周龄开始，通过饮用含有广谱抗生素的饮用水，对哺乳期喂养三种饮食的母鼠的雄性后代(每组n=3–5只)进行微生物群消除。(B)未摄入抗生素后代体重；(C)摄入抗生素后代体重；(D)安乐死时附睾脂肪质量；(E)附睾脂肪质量与体重的百分比；(F)小鼠禁食5小时后基础葡萄糖水平；(G)腹腔葡萄糖耐量测试；(H)计算G的AUC。(I)方案：3周龄幼鼠(每组n=5–8只)从喂食指定饲料的母鼠断奶，按指示共同饲养，饲喂GBC至12周龄，然后喂食LF-HFD。(J)通过16S rRNA测序分析同笼和共笼小鼠的微生物群、非加权UniFrac距离PCoA分析整体组成；(K)变形菌门百分比；(L)同笼和共笼小鼠的腹腔葡萄糖耐量试验(GTT)；(M) GTT的AUC；(N)附睾脂肪和肠系膜脂肪量，包括绝对值(N)和与体重(O)的关系。

图4 移植纤维缺失母鼠后代的微生物群加剧了受体小鼠的饮食诱导肥胖。

(A)方案：将12周龄的GBC、LF-LFD或LF-HFD喂养的母鼠的后代粪便微生物群移植(FMT)到无菌小鼠体内(每组n=5只)。FMT后4周，小鼠接受为期4周的LF-LFD喂养，然后实施安乐死；(B)受体小鼠附睾脂肪组织；(C)附睾脂肪组织与体重百分比；(D) LF-HFD喂养28天后，小鼠禁食过夜，测量基础葡萄糖水平；(E)腹腔葡萄糖耐量测试；(F)计算E的AUC；(G)在(H)-(L)中使用的粪便变形菌富集菌群(PEC)的属水平组成；(H) 3周龄的常规小鼠(CV)清除肠道微生物，然后给予GBC喂养的小鼠粪便悬液+/-PEC(I-L)或Aggregatibacter分离株(M和N)，小鼠(每组n=5只)继续饲喂GBC，随后进行4周(I-L)或2周(M和N)的LF-HFD喂养；(I和J)葡萄糖耐量(I)和相应的AUC(J)。(K-N)肥胖倾向。

5.母体纤维缺乏导致微生物群入侵和轻度炎症

接下来，作者研究母体纤维缺乏如何影响12周龄小鼠的粘膜，此时它们已经喂食了9周的GBC，因此只有中度肥胖，但很容易发生DIO。通过共聚焦显微镜对微生物群定位分析，结果发现有更多细菌侵入结肠内粘液(图5A)。母体纤维缺乏导致12周龄GBC喂养的后代中出现了明显的微生物群侵袭(图5B)。这种表型与IgA包被的粪便细菌百分比的减少有关(图5C-D)。在这些后代小鼠中，没有观察到紧密连接蛋白claudin-1表达或粘液厚度的变化，这在直接食用低纤维饮食的小鼠中有所减少。母体纤维缺乏导致的微生物群侵袭与粪便中抗菌蛋白/炎症标志物脂质运载蛋白-2水平升高以及血清抗鞭毛蛋白和抗LPS抗体水平升高相关，而IgG1和IgG2C的总血清浓度没有变化。流式细胞仪分析发现，在回肠和结肠中母体纤维缺失导致子代小鼠中性粒细胞、单核细胞、M1巨噬细胞显著增加，M1/M2巨噬细胞比例升高，小肠回肠DC升高，尤其是CD11b-CD103+(图5E-5I)。淋巴细胞分析显示，B细胞和T细胞的频率和数量减少，尤其是在小肠中(图5J和5K)。对T细胞亚群的分析显示，纤维缺乏母鼠的后代肠道中CD8细胞适度增加，CD4细胞减少(图5L，5M)。在脾脏和脂肪组织中观察到类似的现象，这也表明中性粒细胞、单核细胞和M1/M2比率增加(图5E–5G)。我们还观察到B和T淋巴细胞的频率适度降低。这种差异的一部分与这些细胞类型的绝对数量减少有关，但也可能反映了脾细胞的总数增加，例如，脾脏中B细胞的绝对数量并没有显著变化(图5J–5M)。对CD4 T细胞进一步分析显示，母体纤维缺乏导致调节性T细胞适度减少，IL17+和IFNγ+细胞适度增加(图5N–5Q)。总的来说，这些结果支持了缺乏纤维的母鼠后代出现持续轻度炎症的观点。

图5 母体饮食对后代微生物群定位和促炎潜能的影响。

（A和B）通过FISH对12周龄后代结肠中的微生物粘液上皮定位，每组n=7-9；(A)代表性共聚焦图像；(B)每个HPF的平均细菌-上皮距离；(C)细菌IgA包被涂层，每组n=4-6；(D)使用Rag-/-粪便作为阴性对照，用于辨别粪便中涂有IgA的细菌的百分比；(E-M)对12周龄的后代(每组n=5)的免疫细胞进行流式细胞术分析，对中性粒细胞(Neu)、单核细胞、M1/M2巨噬细胞、树突状细胞(DC)以及B和T淋巴细胞进行定量；(N)功能性T细胞亚群分析(每组n=3-5)，体外用PMA刺激小肠淋巴细胞和脾细胞；(O)计算调节性T细胞(P)、IFN-gγ++(Q)IL-17+ T细胞百分比。单因素方差分析：*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001。     

6.母体纤维缺乏与后代能量摄入增加相关 

轻度炎症和微生物群稳态紊乱可能与上皮细胞增殖增加相关。因此，母体纤维缺失导致Ki67染色增加和BrDu的迁移增加，分别表明上皮细胞增殖和迁移增加。这种改变与较长的绒毛相关，我们假设这可能会促进LF-HFD饮食中丰富的脂质的摄入。根据这一观点，我们观察到在给予脂质刺激后血清TG升高。我们设想，增殖/迁移增加的另一个可能后果可能是分化程度更高的肠上皮细胞(如产生代谢调节物(包括GLP-1)的L细胞)数量减少。因此，作者观察到纤维缺乏母鼠的后代中GLP-1+ L细胞减少，GLP1 mRNA水平降低。GLP-1可以促进饱腹感，因此有可能解释为什么母亲缺乏纤维会导致子代GBC消费增加了15%。通过随意给予LF-HFD或通过配对喂食来研究过度摄食在DIO恶化中的作用。喂食GBC、LF-LFD或LF-HFD母鼠的后代每天摄入精确量的LF-HFD，相当于年龄匹配的对照小鼠在随意喂食时所摄入量的90%。这种食物限制尽管没有完全使肥胖和血糖水平正常化，但在很大程度上表明摄食过多在母体纤维缺乏导致的DIO恶化中起主要作用，但可能无法完全解释。这些结果表明，缺乏纤维母鼠的后代已经做好了高能量摄入和储存的准备，特别是在获得富含能量的食物时。 

7.富含菊粉的母体饮食可改善母体纤维缺乏引起的生态失调及其相关后果 

低纤维饮食对非哺乳期小鼠肠道和代谢表型的许多不利影响可以通过在此类饮食中添加可发酵纤维菊粉来预防。因此，我们研究了在母鼠低纤维饮食中添加菊粉是否可以保护其后代免受严重的DIO。比较了喂食GBC、LF-LFD和富含菊粉的低脂饮食(IE-LFD)的哺乳期母鼠的后代(图6A)。首先，我们研究了对微生物群组成的影响，在非哺乳期小鼠中，菊粉会改变微生物组成，但不会使微生物恢复到GBC喂养小鼠的微生物群。在本研究中也观察到类似结果。食用GBC 9周的12周龄母鼠的后代粪便微生物根据母体饮食类型聚类，但Uni-Frac距离显示母鼠GBC与IE-LFD喂养的差异仅略小于GB与LF-LFD的差异(图6B-C)。尽管如此，IE-LFD饮食母鼠的后代Proteobacteria丰度没有增加(图6D-E)。在科水平上对该门的分析表明，在多个科中都可以看到Proteobacteria减少，包括与严重DIO相关的Desulfovibrio(图6F)。摄入菊粉的另一个已知和假定的有益影响是Bifidobacterium显著增加，其水平远远超过GBC喂养的小鼠中观察到的水平。添加菊粉的LF-LFD母鼠也减轻了异常微生物群定居。通过共焦显微镜分析发现，喂食LF-LFD(而不是GBC或IE-LFD)的后代小鼠细菌非常接近或超过上皮细胞(图6H)。跨多个区域的微生物群-上皮距离的测量证实，这种微生物群入侵存在于喂食LF-LFD(而不是IE-LFD)的母鼠的后代中(图6I)。而qPCR表明喂食LF-LFD的母鼠后代中附着于回肠上皮的细菌水平较高(图6J)。防止后代微生物入侵也与粪便中IgA包被细菌的增加有关(图6K)。添加菊粉的LF-LFD也纠正了上述对后代肠粘膜的影响。具体而言，摄入LF-LFD(而非IE-LFD)的母鼠会改变结肠中免疫细胞和GLP-1阳性细胞水平。 母鼠摄入菊粉和LF-LFD也可以防止其后代患肥胖症(图7)。富含菊粉的低纤维母体饮食，使得其雄性后代的基础体重、肥胖增加以及DIO程度正常化(图7A-7H)。对肝脏和脂肪组织的分析得出了相似的结果，表明菊粉可以防止饮食诱导的肥胖的其他表现(图7I–7L)。此外，在喂食GBC、LF-LFD和IE-LFD母鼠的雌性后代中观察到非常相似的结果。通过在母亲饮食中添加菊粉可以减轻DIO的加重，这与炎症指数降低相关，从肝脏、脂肪组织和肠道中促炎因子、中性粒细胞和M1/M2巨噬细胞比率的水平上可以观察到。总之，这些结果表明，哺乳期母亲食用可发酵纤维会对其后代的宿主-微生物群关系产生持久影响，从而影响代谢表型。

图6 富含菊粉的母体饮食改善了母体纤维缺乏引起的后代的营养不良。

(A)方案：哺乳期喂食指定饲料的母鼠的雄性后代在3周龄时断奶，并在12周龄时收集粪便。通过16S rRNA基因测序的粪便微生物群组成(每组n=8)，(B)基于非加权UniFrac距离的PCoA图；(C)基于加权UniFrac距离的PCoA图；(D)门水平相对丰度，包括变形菌门；(F) Proteobacteria；(G)双歧杆菌属。通过FISH对12周龄后代结肠中的微生物粘液上皮定位(每组n=4-6)，(H)代表性共聚焦图像；(I)每个HPF的平均细菌-上皮距离；(J) qPCR检测小肠上皮细胞粘附的细菌；(K)细菌IgA涂层(每组n=7)。单因素方差分析：*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001。

图7 富含可发酵纤维菊粉的母体饮食降低了后代DIO。

(A)方案：哺乳期喂食指定饲料的母鼠的幼鼠(每组n=9-10)喂食GBC至12周龄，然后喂食LF-HFD；(B)体重；(C)全身脂肪质量；(D)瘦肉质量；(E)安乐死时测量的附睾、肠系膜和棕色脂肪组织(BAT)重量。(F)空腹血糖水平、(G)葡萄糖耐量和由此产生的AUC(H)。(I)肝脏和脂肪的H＆E染色(代表性图像)。(J)肝脏重量、(K)肝脏脂肪堆积的相对水平和(L)平均脂肪细胞面积(每组n=5)。

讨论

尽管环境因素(即非遗传因素)可能导致了肥胖的发生，但饮食的变化，特别是高热量食物的摄入，可能起到了关键作用。然而，西方饮食的能量并不是引发肥胖的唯一因素。相比之下，它们还缺乏纤维，至少在小鼠中会导致肠道微生物的变化，从而导致轻度炎症。本研究中使用的低纤维饮食(其纤维总量为标准小鼠饲料(GBC)的25%)通常让人联想到发达国家大多数人的纤维消耗量，这些人通常每天只摄入15克纤维，不到美国农业部建议的一半，反映出纤维消耗量低于理想水平。肠道微生物是从一个人的早期生活环境中获得的，这促使我们研究低纤维饮食是否不仅会影响自身，而且也可能影响他们的后代。在哺乳期间，母体纤维缺失导致子代肠道菌群失调、轻度炎症和脂肪增加，尽管这些后代本身也食用富含纤维的饮食。

此外，微生物失调使缺乏纤维的母鼠的后代极易发生DIO。这些结果表明肠道菌群组成的社会跨代变化导致了肥胖的流行。本研究强调了母体纤维摄入在促进后代健康和改善其肥胖倾向方面的重要性。 肠道菌群纤维发酵的益处包括产生发酵产物，即短链脂肪酸(SCFA)，它为肠上皮细胞提供能量，此外还有一系列益处，包括改善血糖和调节免疫反应。此外，可发酵纤维对微生物群的滋养增加了微生物多样性，反过来又为宿主提供了一系列独立于SCFA的益处，包括定植抗性和增加粘膜活力，其特点是肠上皮细胞增殖、分泌粘液和抗菌肽。总的来说，可发酵纤维有助于形成一种健康的微生物群-宿主关系，其特征是低水平的病原菌(通常是变形菌)，并且内部粘液层中没有细菌。相反，纤维缺失会降低微生物的密度，导致细菌继续渗透和消化粘液层，从而侵入宿主。这导致炎症细胞的产生和淋巴细胞的改变。这种轻度炎症一般会促进代谢功能障碍，尤其会促进胰岛素抵抗，并可能增加DIO的严重程度。 我们之前的工作，特别是添加菊粉的低纤维饮食可以恢复微生物密度、粘膜活力和代谢健康，但没有恢复微生物群组成，认为总肠道细菌负荷是一个关键参数。我们在本研究中观察到，哺乳期母鼠纤维缺失，但其后代小鼠摄入富含纤维的食物后表现出正常的细菌密度和肠道形态，即盲肠/结肠质量和隐窝深度没有明显减少。

然而，由于母体纤维缺乏导致后代肠道微生物组成改变、低度炎症，并引起了DIO的发生。LF-LFD母鼠饮食中添加菊粉可以防止后代出现这些现象，但并不能恢复微生物群本身的组成。总体而言，这些结果表明微生物密度可能是肠道健康的决定因素，也强调了微生物群组成在维持健康肠道粘膜中的作用。我们发现富含变形菌门的微生物群的“遗传性”可能是导致小鼠易患肥胖以及可能由轻度炎症引发其他疾病的一个因素。变形菌的成分，包括鞭毛蛋白，尤其是LPS，是炎症信号的有效激活剂。因此，我们推测变形菌门丰度的升高和/或它们的侵入可能会增加先天免疫受体(如TLR4)的信号传递。 缺乏纤维母鼠的刚断奶后代表现出变形菌门增高，尽管程度比它们的母亲要小。然而，尽管我们预计摄入富含纤维的食物数周后会缓解遗传性菌群失调，但事实上，GBC喂养9周后变形菌门的升高幅度更大。结合我们的观察结果，将缺乏纤维母鼠的后代与GBC喂养母鼠的后代共同居住在一起，部分小鼠的变形菌恢复到正常水平，并防止了严重的DIO，这表明母体纤维缺乏导致的菌群失调可能部分反映了有益微生物的遗传不足，当给予适当纤维时，致病菌可以得到有效控制。虽然我们的实验方法并非旨在识别有助于控制致病菌的特定细菌，但我们注意到母体饮食中富含菊粉会导致后代Bifidobacterium丰度增加，从而抑制体外变形菌的生长。同时，母体饮食中添加菊粉也减少了后代体内变形菌门水平，并改善了对DIO的易感性，这表明一些可能协同工作的细菌在营养充足的情况下可以抑制致病生物。我们推测，在免疫系统发育期间，可能是有益微生物生长的最佳窗口期。因此，预防未来肥胖的治疗干预措施可能在该窗口期内最有效。 

DIO加剧与热量摄入增加相关。然而，增加食物摄入只是其代谢表型的一个方面。相反，这些小鼠表现出的肠道生理机能似乎是为了最大限度地摄入能量，包括肠内明显的形态变化(绒毛变长)，与脂质吸收能力增加有关。这种表型与肠道L细胞的缺乏和它们的一些产物(即GLP-1)的减少有关。我们推测，GLP-1水平的降低导致了暴饮暴食和胰岛素反应性的降低，这种代谢表型在生命早期就已形成，此后通过菌群的改变维持。多种因素限制了我们对小鼠的研究适用于人类的程度。例如，年轻人有广泛的接触微生物的机会，但研究中的小鼠只能从母亲、兄弟姐妹或放在同一笼子的其他老鼠那里获得微生物。因此提出了一种可能性，即有益微生物可能是由富含纤维饮食的人类母亲传播，事实上，也可以从其他来源轻易获得。同样重要的是，母体纤维缺乏导致后代微生物群改变可能是促进肥胖发生的众多机制之一。事实上，将母体纤维缺乏的后代小鼠粪便移植到无菌小鼠体内，只能部分重现母体纤维缺乏表型。我们推测其他因素，包括饮食中牛奶成分的影响也可能起作用。小鼠和人类的营养需求不同，这使得将小鼠饮食研究转化为人类本身就很困难。

尽管存在这些问题，但本研究结果表明，对早期生命事件(包括微生物群的建立)了解不足，会影响代谢表型，从而影响肥胖倾向。