生長激素在調節生長、代謝、免疫、體內平衡過程和衰老方面具有深遠的影響，它通過直接結合其膜受體(GHR)而起作用，GHR激活多個信號級聯，并與胰島素樣生長因子1 (IGF1)協同或獨立發揮多效作用，GH信號的受損被認為是導致許多代謝疾病的原因。肝臟和脂肪都是生長激素（GH）的靶點。此前多項研究揭示了腸-肝軸、腸-肌肉軸、腸-脂肪軸等在宿主代謝調控中的作用，但組織特異性生長激素信號對腸道菌群的影響尚不清楚。

2023年6月，山東第一醫科大學附屬省立醫院吳英杰教授與團隊在Gut microbes (IF=12.2)期刊發表題為“Deletion of hepatic growth hormone receptor (GHR) alters the mouse gut microbiota by affecting bile acid metabolism”的研究論文，作者利用脂肪組織和肝臟中特異性敲除GHR的小鼠，證明了組織特異性GH信號對腸道菌群的影響以及肝臟GHR在調節膽汁酸代謝中的作用，揭示了肝臟GHR通過膽汁酸代謝調節腸道菌群的機制以及腸道菌群改變潛在的反饋作用。（麥特繪譜提供Q300全定量代謝組、膽汁酸譜、LC-MS短鏈脂肪酸譜檢測分析）

Ghr缺失影響腸道菌群

分析肝臟中敲除GHR（LKO）和脂肪組織中敲除GHR（AKO）小鼠及GHRflox/flox（LL）小鼠腸道菌群，發現肝臟（而不是脂肪組織）中GHR的缺失會影響腸道菌群，其中擬桿菌門和厚壁菌門，以及乳桿菌科、Muribaculaceae、Parasutterella等幾個屬的豐度發生顯著改變，而α-多樣性未受影響。

代謝表型方面，LKO小鼠的肝臟較重，AKO小鼠棕色和白色脂肪組織較重，盡管兩者體重無差異；AKO小鼠脂肪細胞擴大，LKO小鼠肝臟脂肪變性明顯增加；與LL小鼠相比，LKO小鼠的胰島素耐量試驗(ITT)明顯受損，而AKO小鼠的胰島素耐量試驗(ITT)改善。相關性分析表明LKO小鼠腸道菌群的變化與其代謝表型受損相關。

圖1. 腸道菌群結構分析

肝臟膽汁酸代謝分析

對小鼠脂肪組織與肝臟組織進行靶向定量代謝組學分析，利用WGCNA鑒定代謝模塊聚類，探索細菌門與代謝物的相關性。對于肝臟，如圖2所示，藍色模塊與擬桿菌門和厚壁菌門的相關性最顯著且最強；將近一半的膽汁酸聚集在藍色模塊，大多數與擬桿菌門和厚壁菌門的變化高度相關。這些結果表明，肝臟膽汁酸與腸道細菌群落的變化有關。

圖2. WGCNA分析腸道細菌與肝臟代謝物的相關性

肝臟中檢出的19種膽汁酸，LKO組總膽酸含量顯著高于LL和AKO組，一些結合型膽汁酸顯著富集；此外，LKO小鼠肝臟和血清中均顯著富集12-OH膽汁酸，且12-OH膽汁酸/非12-OH膽汁酸比值明顯增加，而血清中CYP7A1活性指標7α-羥基-4-膽甾烯- 3-酮(C4)含量無明顯變化。

圖3. 膽汁酸譜分析

進一步分析膽汁酸代謝相關基因的表達水平，發現LKO小鼠肝臟中決定12-OH膽汁酸/非12-OH膽汁酸比值的Cyp8b1顯著上調，與其比值升高的結果一致。而編碼膽汁酸合成限速酶的Cyp7a1的表達量沒有變化，這與血清C4含量一致。這些結果表明，LKO小鼠高水平膽汁酸在歸因于上調的Cyp8b1。進一步通過小鼠及細胞實驗證實，肝臟GH信號直接調節Cyp8b1而不依賴于FXR。

肝臟Ghr缺失影響腸道膽汁酸譜

LL小鼠和LKO小鼠盲腸內容物膽汁酸譜分析顯示，其膽汁酸池均以非結合膽汁酸為主，如DCA、ωMCA、βMCA、αMCA和LCA，這些膽汁酸的含量在LKO組均有所增加，導致總膽汁酸含量顯著增加；此外，LKO組初級膽汁酸含量顯著升高，次級膽汁酸和結合型膽汁酸含量顯著降低；膽汁酸轉運相關基因，如Iba、Ostb和Ibabp在盲腸中表達水平顯著下調，Fxr及其下游Fgf15的表達水平降低。并且腸道菌群中幾個屬與盲腸內容物中膽汁酸的變化具有顯著相關性。

圖4. 盲腸內容物膽汁酸譜的變化及其與腸道菌群相關性

肝臟Ghr缺失對微生物群功能的影響

接下來分析膽汁酸代謝相關通路的豐度，發現LKO組中參與初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸的微生物7α-羥基類固醇脫氫酶(7α- HSDH)基因豐度顯著低于LL組，參與結合型膽汁酸去結合的微生物膽鹽水解酶(BSH)基因的豐度表現升高的趨勢。另外，與短鏈脂肪酸產生相關的幾個通路在LKO中顯著下調。隨后對盲腸內容物短鏈脂肪酸譜進行分析顯示，LKO組乙酸、丙酸和異己酸含量顯著升高，己酸含量顯著降低。

圖5. 盲腸內容物短鏈脂肪酸分析結果

此外，另一種與脂肪肝密切相關的菌群代謝物苯乙酸（PAA）在LKO小鼠中明顯升高。PAA是由細菌發酵苯丙氨酸(Phe)產生的，經由苯丙酮酸(PPA)被PorA代謝而成，并后續被PaaK、PaaABC和PaaG等酶或酶亞基降解。基于Tax4Fun2預測分析腸道菌群中PAA代謝相關基因的豐度顯示，LL組和LKO組均含有豐富的porA和paaK，但LL組中paaK的豐度相對高于porA，說明LL組腸道菌群對PAA的降解能力更強。

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圖6. LL小鼠和LKO小鼠的PAA代謝

小結

綜上所述，本研究發現了肝臟GHR通過CYP8B1調節膽汁酸酸代謝影響腸道菌群的作用，并且改變的腸道菌群反過來影響其代謝物，這些代謝物可能有導致胰島素抵抗和肝GHR缺失引起的肝脂質積累。本研究提供了肝臟GH信號驅動的腸道菌群失調的代謝基礎，對于探索組織特異性GH信號對腸道菌群的修飾作用及其參與腸道菌群-宿主相互作用具有重要意義。

文章信息

Yu Z, et al. Deletion of hepatic growth hormone receptor (GHR) alters the mouse gut microbiota by affecting bile acid metabolism. Gut Microbes. 2023.

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