肠道对大脑供能的新见解：小鼠模型研究代谢存在弊端？

大脑更大的灵长类动物的肠道微生物群促进了葡萄糖的产生和大脑功能的能量分配，揭示了进化中的代谢策略。

　　

研究人员揭示了肠道微生物是如何塑造代谢策略来为更大的大脑提供能量的，这让我们对灵长类动物的进化生物学有了一个了解。

在最近发表在《Microbial Genomics》杂志上的一项研究中，美国的研究人员调查了肠道微生物组在影响不同物种宿主代谢方面的作用，重点研究了大脑大小不同的灵长类动物。他们将人类、松鼠猴和猕猴的肠道微生物群转移到无菌小鼠身上，并研究了微生物群落如何促进可能与大脑能量需求和进化相关的代谢特征。

背景

不同的微生物途径：高脑到身体大小的物种表现出增强的聚焦和丙酮酸代谢的微生物途径，驱动能量产生，而低脑到身体大小的物种倾向于能量储存途径，如丁酸发酵。

大的大脑消耗能量，尤其是灵长类动物，大脑的大小往往与代谢需求的增加有关。在灵长类动物中，人类的脑体比最大，表现出更高的葡萄糖代谢等适应能力，以维持这些能量密集型器官。然而，驱动这种跨物种代谢变化的机制尚不清楚。

现有研究报道了遗传和表观遗传因素参与这些代谢变异，但它们与全身代谢的关系尚不清楚。肠道微生物组是宿主代谢的重要调节器，并产生代谢物，如短链脂肪酸（SCFAs），影响能量储存、葡萄糖产生和脂肪代谢。此外，虽然它在包括糖尿病在内的代谢性疾病中的作用已得到承认，但它对物种间代谢差异，特别是与大脑能量需求有关的代谢差异的贡献却很少被探索。

在目前的研究中，科学家们假设肠道微生物群的差异调节了代谢策略，并平衡了脑功能与脑大小不同的灵长类动物生长和维持的能量需求。研究人员使用无菌小鼠进行了一项实验，以研究肠道微生物组如何影响不同脑容量宿主的代谢。

将人类、松鼠猴和猕猴这三种灵长类动物的肠道微生物群移植到无菌小鼠体内，以评估微生物差异对宿主代谢的影响。人类和松鼠猴被选为“大脑优先”的物种，因为它们的大脑体积相对于身体大小更大，而猕猴的大脑与身体的比例更低。

收集健康成年灵长类动物的粪便样本，不含抗生素，经过处理后，用标准化饮食口服接种无菌小鼠60天。每周的评估包括体重测量、食物消耗和代谢评估，并收集粪便和血液样本进行微生物组和代谢物分析。研究人员进行了葡萄糖耐量测试来测量葡萄糖调节，并对小鼠进行了磁共振成像扫描，以评估体内脂肪的分布。

研究人员还使用宏基因组学和代谢组学分析来确定促进宿主代谢特征的特定微生物途径和代谢物。肝脏组织的高分辨率成像和核糖核酸（RNA）测序提供了对器官特异性代谢反应的见解。通过16S核糖体核糖核酸（rRNA）测序分析小鼠肠道微生物组成，宏基因组技术量化SCFA的产生和微生物功能途径。

结果

独特的人类特征：具有人类微生物组的小鼠显示出独特的代谢特征，例如最高的空腹葡萄糖和甘油三酯水平，反映了人类特殊的大脑能量需求。

结果表明，肠道微生物组显著影响宿主代谢的方式与灵长类动物的大脑大小一致。小鼠接种了高脑体比物种（如人类和松鼠猴）的肠道微生物群，表现出增加的能量消耗，更高的空腹血糖水平和增强的糖异生。相反，接种了猕猴微生物群的小鼠表现出更大的脂肪积累和体重增加。

此外，微生物群来自脑容量更大的物种的小鼠消耗更多的食物，但表现出较低的体脂百分比和较慢的体重增加。在这些小鼠中，还观察到乙酸和丙酸等SCFAs水平升高，这表明微生物有助于增加葡萄糖产生和减少脂肪储存。

宏基因组分析显示，与能量产生相关的微生物途径，如聚焦和丙酮酸代谢，在高脑-体大小的微生物群中更为丰富。此外，在这些小鼠中，与肝功能相关的基因表达表明，与能量产生相关的途径（如脂质代谢和糖异生）富集。这些变化表明代谢程序旨在优先考虑大脑功能的能量。

相比之下，接种了猕猴微生物群的小鼠表现出有利于能量储存的微生物途径。他们的微生物组产生较低的SCFA浓度，并表现出与脂肪沉积和减少葡萄糖产生一致的功能。这些差异表明在大脑和脂肪组织的能量分配之间存在权衡。

有趣的是，接种了人类微生物菌群的小鼠表现出独特的代谢特征，其空腹葡萄糖和丙酸水平最高，与人类特殊的大脑能量需求相一致。尽管摄入了更多的食物，但这些小鼠的体重增加很少，这进一步强调了肠道微生物群在代谢调节中的作用。总的来说，这些结果突出了肠道微生物组调节宿主能量分配策略的能力，反映了宿主物种大脑大小的代谢需求和相关的能量需求。

结论

该研究证明了肠道微生物组在塑造宿主代谢策略和支持灵长类动物更大大脑的能量需求方面的重要作用。研究结果表明，微生物群落影响葡萄糖产生、脂肪储存和能量分配，为大脑大小的进化适应提供了见解。

研究人员指出，他们的发现为探索微生物组如何促进物种特定的生活史特征（如生长、繁殖和寿命）提供了基础。未来的研究可能会在大脑能量需求高峰的早期发育阶段调查微生物群与宿主的相互作用。