Nature：戒烟后就发胖？原来是微生物在捣鬼
吸烟有害健康，然而很多吸烟者难以或不愿戒烟，一个重要原因是戒烟容易引起体重快速增长（Smoking-cessation-induced weight gain，SCWG）。Nature最新发表了以色列魏茨曼科学研究所Eran Elinav团队的一项研究，以小鼠为模型对这一现象进行了探索，揭示了肠道菌群在其中的驱动作用，并鉴定出有体重调节作用的菌群相关代谢产物二甲基甘氨酸（DMG）和N-乙酰甘氨酸（ACG）。
研究者认为，吸烟期间逐渐发展的菌群失调和相关代谢物的改变，可促进宿主能量吸收和增重，来抵消由吸烟引起的厌食作用；戒烟后，厌食信号迅速消除，而致胖的“吸烟菌群”和积累的代谢物却只能缓慢逆转，从而导致戒烟后的体重快速增长。这些发现拓展了我们对于菌群在代谢和体重调节中的作用的认知，或有助于研发新型戒烟和减肥方法。
中文标题：肠道微生物群调节小鼠停止吸烟后的体重增加
发表期刊：Nature
影响因子：49.962
主要技术手段：粪菌移植（FMT）、16S rRNA测序、宏基因组测序、单细胞转录组测序、qPCR、代谢组
主要研究内容
1. SCWG与小鼠肠道微生物组相关
为了探究微生物是否影响SCWG，研究者选取10周龄C57BL/6雄性小鼠设置4组实验（图1a）。结果显示无论是否有抗生素暴露（abx），吸烟暴露（SMK）小鼠体重及增长率显著低于非吸烟暴露组（Non-SMK），戒烟后在SMK组中这种趋势发生逆转（图1b、c）。在SMK中，抗生素暴露组小鼠体重及增长率显著低于非抗生素暴露组，这种现象延续到第119天（图1d），且戒烟后其能量获取水平显著低于SMK组（图1h）。并且在不同品系小鼠、不同食物类型及不同吸烟暴露水平的小鼠中观测到（图1e-g）。这些结果表明存在一种依赖微生物组、独立于戒烟的SCWG表型，可能是由宿主增强能量获取的途径来驱动的。
图1 微生物组消除调节SCWG2. 吸烟改变的小鼠肠道微生物组参与SCWG
为了探究SCWG过程中微生物组的变化，研究者采用16S和宏基因组测序来进行相关检测，结果显示虽然SMK组与Non-SMK组间α多样性无显著差异，但在群落结构和功能组成上存在显著差异（图2a、b）。为了评估香烟烟雾相关的生物活性化合物是否能够到达肠道并影响微生物组，研究者采用靶向代谢组研究尼古丁的变化情况，结果显示在粪便和血浆中，SMK（+abx）组检测出更高水平的尼古丁及其衍生物，腹腔注射尼古丁组塑造了另一种失调状态（图2c、d）。这结果表明与香烟相关的代谢物（如尼古丁）可以调节肠道微生物群。
研究者接着通过FMT实验来探索微生物组在SCWG中的作用。结果显示移植来源于吸烟暴露（第18天）和戒烟阶段（第24天）的C57BL/6小鼠肠道菌群至无菌小鼠后，受体小鼠微生物组成失调且体重过度增加（图2e-g），而抗生物预处理的SMK小鼠FMT实验中，未观测到相关变化。这些结果表明吸烟诱导的微生物群逐渐获得了一种诱导体重增加和增强能量收集的能力，这种能力在戒烟过程中变得显著。
图2 吸烟引起的生物失调驱动SCWG3. SCWG小鼠模型中微生物调节的代谢物
研究者使用非靶向代谢组学分别分析吸烟和戒烟期间小鼠血浆和粪便代谢物情况，利用ALMM分析鉴定出7种与微生物诱导的SCWG相关的候选代谢物。结果显示，SMK组血浆中具有更高水平的二甲基甘氨酸（DMG，甘氨酸衍生物，来源与膳食硫酸胆碱代谢，经由微生物主导的硫酸胆碱-甜菜碱生物合成途径和宿主肝脏DMG合成相关基因转录表达后产生），且接受SMK组FMT的受体小鼠血浆表现出一致的趋势（图3a、b），这些结果进一步证实了微生物在吸烟介导的生物合成途径中的作用。
为了验证这些结果，使用标记的硫酸胆碱对小鼠进行灌胃实验，在SMK小鼠粪便中检测出更高水平的标记衍生物，而抗生物暴露消除了这些差异（图3c、d）。值得注意的是，SMK小鼠血浆中标记甜菜碱的水平也有所增加（图3e），表明微生物组来源的甜菜碱可能从肠道全身性流入，进而导致SMK小鼠血浆标记-DMG水平增加，同样地抗生素暴露消除了这种差异（图3f），这表明全身DMG水平与烟雾暴露相关的增加取决于上游微生物组产生的前体。
图3 吸烟和戒烟过程中的DMG动态4. 代谢物驱动小鼠体重调节
尽管抗生素暴露消除了微生物组，但对SMK小鼠连续DMG灌胃恢复了SCWG（图4a），此外，喂食胆碱（DMG前体）缺乏食物的小鼠，尽管暴露于烟雾导致肝脏中DMG合成相关基因表达增加，但SMK期间，DMG水平未有显著提升，反过来又导致戒烟期间缺乏SCWG（图4b）。此外，Non-SMK小鼠连续灌胃DMG 21天，其体重增加率适度增加，粪便卡路里水平低于PBS对照小鼠，反映了更高的能量获取能力（图4c、d）。给SMK小鼠补充另一种甘氨酸衍生物N-乙酰甘氨酸（ACG）可缓解SCWG（图4e），Non-SMK小鼠补充ACG后，体重增长率显著下降（图4f）。标记的硫酸胆碱对小鼠进行灌胃实验后，SMK小鼠血浆标记-ACG水平降低，抗生素暴露消除了这种差异（图4g）。SMK小鼠补充DMG会导致血浆ACG水平降低（图4h），而补充ACG则不会影响全身DMG的水平。这些结果表明，DMG和ACG生物合成途径之间存在着微生物群落依赖性的相互联系。
接下来，我们在补充DMG和ACG后对HFD喂养的小鼠的附睾-脂肪免疫细胞进行了单细胞转录组学分析。结果显示，DMG补充导致脂肪组织Ly6C+单核细胞增加，这已被证明有助于肥胖相关的促炎程序（图4i），ACG补充导致Trem2+巨噬细胞水平降低，这与小鼠和人类的肥胖和体重增加有关（图4j）。相似地，多个主要与肥胖和相关通路有关的脂肪组织基因，包括免疫反应、溶酶体功能、组织重塑、细胞外基质、死细胞去除和血管生成等，在补充DMG和ACG中表现出相反的差异表达模式（图4k）。未来的研究将定义这些代谢物对脂肪组织免疫的分子性质和作用机制，以及其它已鉴定的吸烟相关代谢物对这些特征的影响。
图4 吸烟相关代谢产物影响SCWG5. 吸烟人群代谢产物的变化
设置年龄和性别匹配的96人小型队列来探究吸烟人群的微生物组特征，结果显示吸烟者与不吸烟者在肠道菌群结构和代谢功能组成上存在差异（图5a-e），根据微生物组分类学组成构建一个二元分类器能成功区分吸烟和不吸烟人群（图5f），且吸烟者血浆代谢物水平表现出与小鼠相似的情况（图5g-i）。这些初步发现值得未来进行更大规模的对照研究。
图5 吸烟者、微生物组和代谢物之间的潜在联系参考文献
Fluhr L, Mor U, Kolodziejczyk AA, et al. Gut microbiota modulates weight gain in mice after discontinued smoke exposure[J]. Nature, 2021.
