辣椒素对高脂饮食诱导肥胖小鼠肠道菌群的影响研究

摘要

肥胖症是由遗传因素和环境因素共同作用导致的营养代谢障碍性疾病，可以增加代谢性疾病、心血管等疾病的发病率。现有的肥胖治疗手段包括饮食调节/干预、运动锻炼、手术减肥，但这些方法都存在耐受性差、副作用大或治疗后反弹等缺点，亟待开发新的肥胖预防和治疗方法。近年来，几种来源于天然植物的生物分子被证实具有减肥的作用，包括辣椒素，低聚果糖，多酚，岩藻依聚糖等。辣椒作为蔬菜或调味品在全球范围内作被广泛食用，其主要成分辣椒素(Capsaicin)在人体和动物上的减肥作用已经被广泛的报道。其中涉及到的机制较为复杂，包括全身性的机体代谢调节，食物摄入量减少等。研究发现辣椒素激活瞬时受体电位香草醛亚家族1(Transient Receptor Potential Vanilloid1，简称TRPV1)钙离子通道并增强肾上腺髓质中的儿茶酚胺分泌，从而增强产热作用起到减少体重增加的作用。研究发现辣椒素能减少食物摄入，且这种作用依赖于TRPV1。
　　越来越多的证据显示肠道微生态失调在肥胖和其它代谢性综合症中扮演了重要的角色。肠道微生物与宿主之间存在大量的生理学上和病理学上的相互作用，比如宿主能量平衡的调节、糖代谢、慢性炎症状态。研究发现肥胖人群和肥胖小鼠中肠道微生物群落组成发生了巨大的改变。辣椒素通过TRPV1的减肥作用已经被广泛研究，但是辣椒素对肠道微生物群落（肠道菌群）的影响尚未见系统报道。
　　在微生物群落分析中，不管是基于16S rRNA基因的扩增子测序(Amplicon sequencing)还是鸟枪法宏基因组测序(Shotgun metagenomics sequencing)，不管是使用何种分析流程，其生物信息分析流程都涉及多个软件，包括大量繁杂的步骤，包括测序原始数据质量控制、分样、格式转换等等。如何准确、高效地完成这些分析步骤是生物信息分析和开发研究工作者迫切需要解决的问题。
　　目的：
　　研究辣椒素对高脂饮食诱导肥胖小鼠肠道菌群的影响;针对一种或多种肠道微生物，研究探索辣椒素改变肠道菌群结构的机制;设计开发微生物群落分析辅助工具。
　　方法与结果：
　　本研究分为三个部分：
　　第一部分：辣椒素对高脂饮食诱导肥胖小鼠肠道菌群结构的影响研究
　　研究喂食辣椒素9周后高脂饮食诱导肥胖C57BL/6J小鼠与不喂食辣椒素的肥胖小鼠之间肠道微生物群落的变化，发现这种辣椒素的减肥作用与肠道微生物群落的改变相关。
　　1、在微生物群落组成上，在门的水平，长期食用辣椒素的高脂饮食肥胖小鼠肠道中变形菌门（Proteobacteria）丰度显著降低。在属的水平，拟杆菌属（Bacteroides）、粪球菌属（Coprococcus）、普氏菌属(Prevotella)和阿克曼氏菌属(Akkermansia)的丰度则显著增加，且这些细菌丰度的增加均对健康有利。
　　2、在微生物群落功能上，与帕金森疾病有关的代谢通路、与细菌毒力相关的四型分泌系统代谢模块丰度降低，而有利于改善宿主糖代谢的糖酵解代谢模块丰度增加。
　　第二部分：辣椒素增加肠道细菌Akkermansia muciniphila丰度的机制研究
　　1、辣椒素在体外直接刺激A.muciniphila结果显示，辣椒素在高浓度下会抑制A.muciniphila的生长，但在低浓度下也不会促进其生长;在黏蛋白(Mucin)存在下，A.muciniphila生长速度提高，在平台期细菌密度更高。
　　2、脂餐诱导肥胖C57BL/6J小鼠喂食9周辣椒素后与不喂食辣椒素的肥胖小鼠相比，没有增加肠道杯状细胞的数量和密度。
　　3、给正常C57BL/6J小鼠灌食辣椒素30分钟后，空肠杯状细胞主要黏蛋白基因Mue表达上调，并持续到90分钟;肠道抗菌肽基因Reg3g的表达在结肠中稳步上升。
　　第三部分：设计开发微生物群落分析辅助工具
　　应对微生物群落分析的可重复性、多样性和高效性要求，用Go语言开发多个微生物群落分析辅助工具，提供针对Windows，Linux，OS X，FreeBSD，OpenBSD等主流操作系统的单一可执行二进制文件，无需安装和配置，下载即用，极大降低微生物和生物信息工作者的安装和学习成本，已受到生物信息和开源社区广大用户的欢迎和认可。其中SeqKit和TaxonKit均被邀请录入英文书籍《The Biostar Handbook：A Beginner's Guide to Bioinformatics》中。
　　1、设计、开发、高度优化FASTA/Q序列处理软件包SeqKit，提供20个实用的子命令和丰富的文档，提高测序数据的处理效率。
　　2、设计、开发CSV/TSV格式处理软件包csvtk，提供25个易用和实用的子命令，用于处理微生物群落分析中的数据文件。
　　3、设计、开发NCBI分类学数据处理软件包TaxonKit，用于高效查询、转换NCBI生物分类学数据，用于应对不同微生物群落分析软件的格式需求。
　　4、设计、开发作业并行软件rush，提供高实用性的功能，用于简化和加速对大量处理样品的包含微生物群落分析在内的生物信息分析。
　　结论：
　　1、高脂饮食诱导肥胖小鼠长期食用辣椒素能减轻体重，改善葡萄糖稳态。这种改善作用与肠道菌群的改变有关。肠道菌群的改变及肠道细菌Akkermansia muciniphila的丰度增加可能在这种保护性作用中起到关键作用。因此推测辣椒素可能通过改变肠道菌群从而起到减肥作用。
　　2、辣椒素增加A.mueiniphila的可能机制包括：(1)辣椒素刺激杯状细胞分泌更多的黏蛋白，为其提供更多的食物来源，从而使得A.muciniphila绝对丰度增加;(2)肠道抗菌蛋白Reg3g分泌增加，抑制其它细菌，从而使得A.muciniphila相对丰度增加;(3)小鼠食物摄入量减少，其它细菌因食物来源减少而丰度降低，而A.muciniphila可以以黏蛋白作为唯一的氮源和氮源，不受影响从而相对丰度增加。
　　3、本研究设计开发多个跨平台、易用、实用、高效的微生物群落分析辅助软件，以应对微生物群落分析的可重复性、多样性和高效性要求，满足日益增长的测序大数据的分析需求。FASTA/Q格式处理工具SeqKit、CSV/TSV格式处理软件包csvtk、NCBI分类学数据处理软件TaxonKit和作业并行软件rush能极大提高微生物和生物信息工作者的效率，简化和加速对大量样品的包含微生物群落分析在内的生物信息分析，已受到广大用户的欢迎和好评。

目录

声明

缩略词表

摘要

第一章 前言

第二章 辣椒素对高脂饮食诱导肥胖小鼠肠道菌群的影响研究

2．1 引言

2．2 材料和方法

2．3 辣椒素对高脂饮食诱导肥胖小鼠的减肥作用

2．4 辣椒素对高脂饮食诱导肥胖小鼠肠道菌群影响

2．5 讨论

2．6 小结

第三章 辣椒素导致肠道细菌Akkermansia muciniphina丰度增加的机制研究

3．1 引言

3．2 材料和方法

3．3 辣椒素对Akkermansia muciniphina生长和黏蛋白代谢作用研究

3．4 辣椒素对肠道杯状细胞的影响研究

3．5 讨论

3．6 小结

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．3 FASTA／Q序列处理软件包SeqKit

4．4 CSV／TSV格式处理软件包csvtk

4．5 NCBI分类学数据处理软件包TaxonKit

4．6 作业并行软件rush

4．7 讨论

4．8 小结

全文结论

参考文献

文献综述 嗜黏蛋白阿克曼氏菌Akkermansia muciniphila研究进展

附录

攻读博士学位期间完成的其他相关研究工作

攻读博士学位期间的研究成果

致谢