FSHW | 灰树花多糖对Ⅱ型糖尿病小鼠肠道微生物群的健康益处

Introduction

灰树花又名舞茸，是一种担子菌类多孔真菌，属于稗科，富含碳水化合物、维生素和蛋白质等营养成分。由于其具有抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、 抗炎、降血糖、降血脂和免疫调节等多种生物活性，也被认为是一种有价值的食品成分和营养补充剂。

从灰树花中提取的新型多糖能够通过抑制α-葡萄糖苷酶、调节胰岛素抵抗和促进糖原合成来有效降低血糖浓度，但关于灰树花多糖（GFP）对高脂饲料诱导小鼠的调节作用的研究较少。人体肠道中大约有1万亿种生物，被视为第二大脑。细菌构成了人体肠道菌群中所有微生物细胞的大部分，胃肠道中细菌的异生物质代谢与人体健康密切相关。人体肠道微生物代谢图谱反映了不同系统类型之间的协同作用，超过1 000 种，其中约90%属于厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetds），其次是放线菌门（Actinobacteria）和变形杆菌门（Proteus）。生态平衡是肠道菌群与宿主共同作用的结果，但各种因素引起的肠道菌群紊乱因素可导致慢性疾病的出现，例如Ⅱ型糖尿病、肥胖症和炎症性肠病。更有研究表明，肠道微生物可促进糖类的利用和肝脏释放甘油三酯，从而调节胰岛素抵抗。但发现糖尿病患者有益菌群减少，致病菌群增加，肠道屏障功能受损。因此，有必要探索一种有效的材料来减轻糖尿病患者肠道的损伤。

福建农林大学Xiaoxiang Gao、Dan Liu和Chao Zhao*等利用小鼠模型，探究GFP对肠道微生物菌群失衡的调节作用。鉴于肠道菌群与疾病之间可能存在相互作用，应用二代测序技术结合多重统计分析研究了GFP治疗的糖尿病小鼠肠道菌群的变化；并从不同级别（门和属水平）肠道微生物菌群的改变阐述了GFP的调节作用；此外，还提供了糖尿病小鼠和GFP治疗小鼠之间有利菌株的相对丰度的直接比较，以验证其对糖尿病的潜在保护功能。

Results and Discussion

肠道菌群测序与数据处理

去除不合理序列后，原始数据中有效序列总数为70 785 bp，小鼠肠道微生物序列标签长度分布主要集中在1 500 bp左右（图1a）。具有97%序列相似性的簇用于OTU的聚类和划分。总共确定了所有四组中的941 个OTU。各组小鼠共有80 个OTU，正常组、GFPH和GFPL组共有39 个OTU。然而，模型组与GFPH和GFPL组仅共享10 个OTU，这表明正常小鼠和糖尿病小鼠的微生物群存在差异。此外，维恩图显示，正常组、模型组、UFPH和UFPL组分别独有181，99，128和203 个OTU（图1b）。

图1  小鼠肠道微生物序列标签的有效序列长度分布（a）；正常组、模型组、GFPL和GFPH组中OTU分布的维恩图（b）

α-多样性分析

通过基因组分析鉴定了所有治疗小鼠的肠道多样性和结构的变化。每个样品的稀疏曲线急剧增加，然后趋于平坦，这表明测序深度足以反映肠道群落的多样性（图2a）。等级丰度曲线用于估计肠道微生物的丰富度和均匀度。与其他样品相比，GFPL1的曲线长度最长，这表明大多数OTU是在GFPL1中确定的。此外，GFPH2和GFPL1中的曲线梯度随着序列变得平坦，这表明2 个样品中微生物高度均匀。此外，同一组样品中微生物群的丰富度和均匀度显示出轻微差异（图2b）。Shannon多样性指数和Simpson指数表明，四组之间没有显着差异（P > 0.05）（图2c、d），这表明GFP不能破坏肠道微生物群的多样性。

图2  各组各样品的稀释度曲线（a）和秩丰度曲线（b）,不同群体的Shannon多样性（c）和simpson指数（d）

肠道菌群变异分析

该分析旨在揭示GFP对糖尿病小鼠微生物群落结构的调节作用。根据相对丰度，共检测到7 个门，其中厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门在4组中均排前3 。给药后，与正常组和模型组相比，类杆菌数量显著升高。此外，高浓度GFP治疗后，糖尿病小鼠疣状芽胞杆菌的相对丰度明显降低（图3a）。根据先前的研究，在喂食高脂饮食的小鼠中发现厚壁菌比例下降，并且GFP可以在门水平上有效调节肠道结构。此外，拟杆菌的比例最高，这与基于单分子实时测序的第三代测序技术确定的结果不同，属级热图显示，一些高丰度物种明显受到GFP的影响，包括脱硫弧菌、幽门螺杆菌、Alistipes、乳酸杆菌和类杆菌。Barnesiella和Alistipes的相对丰度在糖尿病小鼠中，与正常组和GFP组相比显著降低，并且在GFPH处理后Barnesiella的水平明显升高（图3b）。Barnesiella属于类杆菌目，在GFPH组小鼠中含量最高，被认为是通过清除病原菌保护宿主肠道的有益细菌。已经证明，增加的Alistipes水平可以预防右旋糖酐硫酸钠诱导的小鼠结肠炎，有趣的是，在GFPL组中发现了相对较高的Alistipes丰度，而通过第三代测序确定的GFPH组中发现其含量最高，这表明第二代和第三代测序在可降解性方面存在差异，此外，在GFP处理下，几个丰度相对较低的微生物组发生了显著变化。GFP给药后，异普雷维菌和玫瑰囊菌的相对丰度显著增加（P < 0.05）。相反，绿色荧光蛋白处理可以减少糖尿病小鼠中瘤胃球菌和普氏杆菌的丰度（图3c）。Alloprovettella是人类和小鼠肠道中常见的优势有益菌属。此外，克罗恩病患者的玫瑰花囊丰度呈下降趋势。Roseburia释放的鞭毛蛋白可以通过磷酸化Stat1来改善HIF1A-AS2的表达，从而防止结肠炎症。更重要的是，丰度相对较低的微生物群发生了显著变化，这可能有利于高血糖症的缓解。有益和有害微生物的相对丰度表明GFP在糖尿病小鼠的肠道中起到保护作用。

与正常组比较，*P < 0.05，**P < 0.01；与模型组，#P < 0.05，##P < 0.01。

图3  对不同组动物门水平肠道微生物群的宏基因组分析（a），属级肠道菌群热图（b），相对丰度（c）

肠道分类群的分类

进行LEfSe测量以调查正常组、模型组、GFPH组和GFPL组中的不同微生物群（图4）。在这些类群中，共检测到28 个属存在显著差异。与正常组相比，模型组的罗宾逊菌、黄酮类致病菌、厌氧菌和脱硫弧菌数量丰富。与GFP处理的小鼠相比，在糖尿病小鼠中大肠杆菌、巴氏杆菌和幽门螺杆菌的LDA得分更高。此外，GFP组乳酸杆菌和土杆菌的LDA评分明显高于模型组。Robinsoniella和幽门螺杆菌可分别产生有气味的化学物质并引发促炎症反应，进而对人类健康造成损害，此外，GFP可增加糖尿病小鼠伯克霍尔德菌的数量。乳酸菌释放的乳酸和过氧化氢在维持肠道微环境平衡方面的作用起着重要作用，在GFP治疗下，发现糖尿病小鼠的乳酸杆菌数量有所改善。

（a）正常组和模型组；（b）与模型组比较；（c）GFPF与模型组。

图4 正常组、模型组、GFPH组和GFPL组在属水平上肠道分类群的LEfSe分析

微生物组之间的潜在关系

16S rRNA高通量测序为预测微生物组的潜在关系开辟了道路。此外，最近利用样本之间关系的研究来描述复杂的相互作用网络，菌群的变化可能归因于菌群之间的相互作用，并通过corrplot分析和Cytoscape软件可视化微生物组之间的相关性。显然，伯克霍尔德菌和假单胞菌以及脱硫菌和反刍梭菌之间存在着强烈的共存关系。假单胞菌、脱硫菌、伯克霍尔德菌和假单胞菌与异普氏菌呈负相关，尤其是R值为-0.913 6的假单胞菌（图5a）。此外，Alloprovettella和Burkholderia与5 个菌群有很强的相关性（图5b）。假单胞菌、别普氏菌和幽门螺杆菌的丰度与微生物群密切相关，需要进一步研究以验证具有强相关性的菌群之间的相互作用机制。

带实线的红线表示正相关；带点的蓝线表示负相关；线条的宽度表示R值的强度。

图5 优势菌的相关性（a）和网络（b）

Conclusion

本文研究了GFP对糖尿病小鼠粪便微生物群失衡的调节作用。研究表明，GFP可以改善肠道微生物群的组成，促进有益细菌的增殖。GFP处理后，肠道菌群在门和属水平上的相对丰度发生改变。研究结果表明，GFP可能是改善糖尿病患者肠道健康的有效物质。

Health benefits of Grifola frondosa polysaccharide on intestinal microbiota in type 2 diabetic mice

Xiaoxiang Gaoa,1, Dan Liua,1, Luying Gaob, Yuezhen Ouyanga, Yuxi Wena, Chao Aic,d, Yuqing Chena, Chao Zhaoa,e,*

a College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China

b Department of Pediatrics, Nanjing First Hospital, Nanjing Medical University, Nanjing 210006, China

c School of Food Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

d Department of Food Science & Technology, National University of Singapore, Singapore 117543, Singapore

e Engineering Research Centre of Fujian-Taiwan Special Marine Food Processing and Nutrition, Ministry of Education, Fuzhou 350002, China

*Corresponding author.

E-mail address: zhchao@live.cn

Abstract

Grifola frondosa polysaccharide (GFP) as the natural compounds have been reported to exert diverse bioactivities. The aim of this study was to investigate the regulatory effects of GFP on intestinal microbiota in type 2 diabetic mice. The changes of microbiota in faeces of the diabetic mice upon high fat diet were determined and the V3 region of the 16S rRNA was sequenced by Illumina MiSeq high-throughput sequencing platform. Eighty operational taxonomic unit were identified to be shared by all samples, and the quality and richness of sequencing were assessed via rarefaction and rank abundance curves. The diversity of gut flora was slightly improved in diabetic mice after GFP treatment. The composition and relative abundance of gut microbiota at phylum and genus levels were altered by GFP. The abundance of Robinsoniella, Flavonifractor, Anaerotruncus, and Desulfvibrio were found to concentrate on diabetic mice through LEfSe analysis. Furthermore, Alloprevotella and Burkholderia had strong relevancy with other gut flora. Based on the findings, GFP might be a desired candidate on ameliorating the intestinal unbalance in diabetes.

Reference:

GAO X X, Liu D, GAO L Y, et al. Health benefits of Grifola frondosa polysaccharide on intestinal microbiota in type 2 diabetic mice[J]. Food Science and Human Wellness, 2022, 11(1): 68-73. DOI:10.1016/j.fshw.2021.07.008.

来源链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/-FSmrpOQE3J3Z7Ib9nsC8w