人参+菌群+棕色脂肪,让你“热”让你瘦?
董孟 | 热心肠智库专家 2020-01-16
时长:17:41 字幕:刘婧 审校:蓝灿辉
为什么棕色脂肪是好脂肪,人参促进它增加的机制是什么,肠道菌群起何作用?
董孟
中国科学院大学动物研究所博士
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由G30资助
本演讲由G30企业提供资助,并受到民福社会福利基金会的大力支持和协助。
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图文实录

首先谢谢大家,观众朋友们下午好,非常感谢热心肠研究院对我们团队的邀请。

也非常感谢我的导师金万洙研究员给我这次机会,来代表我们的团队和大家分享肠道菌群和棕色脂肪邂逅的故事,也就是人参是怎么通过调节肠道菌群和棕色脂肪的活性来减轻肥胖的,来发挥代谢有益作用的。

我们实验室一直关注的是脂肪和肥胖的关系。

我们都知道,现在肥胖已经在世界范围内呈现一个爆发性流行趋势,也给国民经济带来了极大的负担。

肥胖的发生是一个极其复杂的过程,但是从一个根本上的角度来讲呢,肥胖的发生就是由于机体能量长期失衡导致的。也就是说,你的机体的能量摄入长期超过了能量消耗。

那么从这个原理上来讲,不管是从抑制能量摄入的角度,还是从增加能量消耗的角度,它都能够阻止或者减缓肥胖的发生。

那么提到脂肪呢,往往令很多爱美人士谈之色变。

但是人体内除了储存能量的白色脂肪组织,也就是除了我们通常所讲的肥肉之外,它还存在着消耗能量的棕色脂肪组织和米色脂肪组织。

那么这三者有何不同?

首先从细胞形态上来讲,我们能够看出白色脂肪组织的细胞中央被一个大脂滴所充斥,而细胞核被远远的挤在了一侧。这就类似于一个大型的存储仓库,能够有利于将能量以甘油三酯的形式储存在这个大脂滴中。

而根据解剖位置的不同呢,白色脂肪组织又可以分为皮下脂肪组织和内脏脂肪组织。

肥胖也有不同的分型——如果是皮下脂肪组织囤积,它主要表现为臀部和大腿部脂肪组织囤积,人体就表现成一种“梨形肥胖”。而梨型肥胖中的大部分人代谢是正常的,也就是说被称为一个健康的胖子。

而如果是内脏脂肪堆积,它主要表现是腹部脂肪的堆积,也就被称为一个腹性肥胖和中心性肥胖。在外观上人体就呈现一种“苹果型肥胖”的状态,这种状态就更多的会引起代谢隐患,也就是不健康的胖子。

那么棕色脂肪呢,从形态上来讲,它的细胞内部有大量的线粒体以及小脂滴,就是它呈现一个多腔脂滴的状态。在这种状态下,它就能够促进棕色脂肪消耗能量以及对底物的消耗来产热。

米色脂肪组织是近年来在白色脂肪组织中发现的,具有棕色脂肪功能的这样一类细胞,它在形态学上是介于二者之间的。

它和棕色脂肪的不同之处在于,棕色脂肪基本上是不论在什么状态下都可以有产热功能,而米色脂肪组织只有在特定的诱导条件下——比如说寒冷,比如肾上腺素能的刺激,它才能具备这样一个产热的功能。

然后,关于米色脂肪组织的来源,目前在这个领域内应该还存在一些争议。

一些研究人员就发现,米色脂肪组织其实是跟白色脂肪细胞有一个相互的转化过程。在需要的时候,它就会转化成具有产热功能的米色脂肪细胞;而在不需要的时候,它就会再重新转化成白色脂肪细胞。

但是,另一部分的研究人员就发现,其实米色脂肪细胞是来源于白色脂肪组织里一些特定的细胞群体。也就是说,只有表达某些特定转录因子的这些细胞,它才能够在有需要的情况下转化形成米色脂肪组织。

那么棕色脂肪和米色脂肪是怎么样产热的呢?这就不得不说到它们在线粒体内膜上特殊存在的这样一类蛋白质——叫做解偶联蛋白1,也就是UCP1。

而UCP1的产热原理是什么呢?在这里,我们就以汽车的发动机做一个类比。

在通常的情况下,我们汽车的发动机会燃烧汽油和柴油,产生二氧化碳和水蒸汽,进而将气体推送到一个密闭的气缸中推动活塞运动,来带动车轮运动。

在我们正常的细胞中,这个电子传递链在细胞呼吸的过程当中消耗一些生物燃料,就是葡萄糖,然后是脂肪和蛋白质。

在这个过程当中,它会在线粒体的内外膜两侧形成一个质子梯度,借助这个质子梯度,氢离子(H+)可以通过ATP合酶进入到线粒体的外膜侧。

然后在这个过程当中,就将质子梯度所携带的电子势能转换成了一个化学能储存在ATP中,以备我们的机体利用。

当你这个发动机的汽缸上如果有一个破孔的话,那么气体就会直接散发出来而不推动车轮运动,然后在这个过程当中会产热。

而UCP1的存在就类似于这样一个破孔的存在。它本身就是一个H+的通道,就是使H+在不通过ATP合成酶的情况下直接进入到线粒体的外膜侧,从而将用于合成ATP的质子势能给驱散掉,最终以热能的形式散发出来。

2009年以前,领域内人们一直认为棕色脂肪组织只存在于小型的哺乳动物和人类的婴幼儿时期,用于帮助他们维持体温。

而在2009年,三个不同的实验室利用PET-CT技术发现,其实在成年人体内仍然存在着具有功能活性的棕色脂肪组织。

从图中我们也可以看出,成年人体内棕色脂肪组织主要存在于脖颈深处和肩胛的位置。并且随着肥胖的发生,它的活性会逐渐的下调。

棕色脂肪组织在成年人体内的重新发现,也是引发了领域内研究人员极大的研究兴趣,它也成为近10年来新型抗肥胖药物的研发热点。

回到棕色脂肪的最初功能,就是通过非战栗性产热的方式帮助动物维持体温。

寒冷刺激目前是激活棕色脂肪的一个金标准。从这个图中也可以看出,在经过寒冷刺激之后,这个健康受试者的棕色脂肪活性得到了一个显著的上调。

并且有研究表明,如果把一个健康受试者每天冷在19度两个小时,经过6个月后,他的体脂含量会有一个显著的下降,并且代谢也得到了改善。

那么关于寒冷,不同的实验室以及不同的文章的操作很不规范,并且实施起来,可行性也比较差。所以,寻找新型、安全且有效的能够激发棕色脂肪活性的这些药物就显得至关重要。

我们课题组自成立以来,就是一直致力于以棕色脂肪为靶点开发新型的抗肥胖药物。我们课题组的工作方向主要包括两个方面,一个方面就是对于棕色脂肪功能的挖掘。

我们都知道,米白色脂肪组织除了储存能量之外,它还是一个内分泌器官,它可以分泌多种代谢因子,参与到机体的生命活动。

其中一些有益的代谢因子,比如说FGF21和瘦素以及脂联素,它们都已经成为临床上研发抗肥胖、抗II型糖尿病等的靶点。

我们就想,棕色脂肪组织是否也会具有内分泌功能呢?所以我们一方面的工作就在于对棕色脂肪特异性的一些分泌因子的筛选。

另外一方面,我们就在于筛选能够激活棕色脂肪组织产热,以及促进棕色脂肪和米色脂肪形成的这样一些小分子化合物和天然的活性植物成分,当然也包括我们的传统中草药。

人参呢,我们都知道它是中国中药史上的瑰宝,在世界范围内都极誉盛名。它有多种的生理功能,包括抗炎、抗肿瘤以及抗糖和抗肥胖的发生。

我们为什么开展人参的这项研究呢?它源于一次学术交流。在一次交流当中,我们金老师和延边大学的全林虎教授见面,全老师一直是在从事人参相关的研究。

他们对于人参具体的抗肥胖作用机制、它是否会引起机体产热的这样一些问题进行了讨论。

两位老师都对人参和棕色脂肪的关系非常感兴趣,而科研工作的魅力就在于——你可以随时探索、亲身探索这些你感兴趣的领域,所以我们这项研究就此拉开了帷幕。

首先呢,我们就对人参的抗肥胖作用进行了一个验证。选用人参提取物饲喂了肥胖型小鼠就发现,在人参处理之后,肥胖小鼠的体重显著下降,而体脂含量也显著降低。

那么人参是怎么减肥的呢?

我们都知道,胖起来是因为能量的摄入长期超过了能量消耗,也就是说管不住嘴、迈不开腿。

那么首先我们就对人参处理后小鼠的运动量和饮食量进行了一个监测,结果显示,人参处理并不能影响肥胖小鼠的饮食量以及运动量。

那么人参是怎么在不令小鼠管住嘴、迈开腿的情况下减肥的呢?

我们在对小鼠的能量代谢,也就是说能量消耗这方面进行检测的过程当中就发现,人参处理确实增强了肥胖小鼠的能量消耗。

既然运动量是不变的,我们就推测这一部分能量消耗的增加就是由于棕色脂肪产热活性的增加所贡献的,所以我们就用寒冷这个金标准对这两组小鼠进行了一个冷冻处理。

结果显示,在冷冻刺激之后,我们通过远红外相机对它的体表温度进行监测,就发现这个小鼠明显就变得更红,也就是说,它能够更好的维持体温。这就提示我们棕色脂肪的活性增强了。

所以进一步,我们也是通过分子生物学的手段,对棕色脂肪的功能和活性进行了验证发现,人参确实可以增强棕色脂肪的活性进而达到减轻肥胖的目的。

那么接下来,我们就思考人参是怎么来激活棕色脂肪的?在这里,我们就先进行了文献调研。

我们都知道,人参的多种生理作用离不开它所含有的多种生物活性成分,其中一大类的成分主要就是人参皂苷。

但是人参总皂苷首先需要经过肠道菌群的脱糖基化作用形成次级人参皂苷——也叫稀有人参皂苷之后,它才能够被机体吸收进入血液发挥功效。

所以我们就思考,人参在被肠道菌群代谢的过程当中,是否也会影响肠道菌群的组成和丰富度呢?这是我们的第一个问题。

第二个问题,就是我们都知道,肠道菌群通过自身的一些代谢活动,以及通过和宿主的一些协同作用,影响着生命活动的方方面面,其中也包括肥胖的发生。

在这些部分呢,我们就关注到,其实肠道菌群也可以影响棕色脂肪组织的适应性产热,就是在寒冷刺激前后对比发现,寒冷刺激后小鼠的肠道菌群的组成和多样性发生了一个显著的改变。

而当你把这个寒冷刺激后的肠道菌群移植给无菌受体小鼠之后就发现,受体小鼠的米色脂肪形成的招募增加了,并且产热增加,然后也是体重减轻。

所以结合这两个方面的文献调研,我们就提出了我们的下一个科学问题,就是人参是否能够通过影响肠道菌群的丰富度和多样性,进而来调控棕色脂肪的活性,以达到减轻肥胖的效果?

首先呢,我们就是采用了肠菌移植的方式,就把人参处理之后的肥胖小鼠的粪便移植到一个新的受体肥胖小鼠里头,就发现,接受了人参处理组粪便的受体小鼠的体重显著减轻,并且棕色脂肪活性也显著增加。

在这个基础之上,我们就对这两组小鼠的肠道菌群进行了一个分析,分析结果也显示,人参确实可以显著影响肠道菌群的组成和丰富度。

然后我们进一步地在种属水平上分析就发现,人参处理之后粪肠球菌的丰度得到了一个明显的增加。

接下来我们就选用这个粪肠球菌对肥胖小鼠进行了饲喂,结果显示,粪肠球菌也可以在不影响小鼠的运动量和饮食量的

情况下,使小鼠的体重增长减轻,然后体脂含量降低。

并且在寒冷刺激之后,我们也可以看出这个小鼠明显的更红,组织学检测发现,肥胖小鼠的棕色脂肪组织的这样一种单腔大脂滴的形态,逐渐就恢复到了正常的棕色脂肪多腔脂滴的形态。

那么确认了肠道菌群中负责和棕色脂肪邂逅的菌株是粪肠球菌之后呢,我们就想知道二者之间是怎么交流的,它的信使是什么?

在这里,我们首先就选择了肠道菌群的代谢产物——脂肪酸。

关于短链脂肪酸对于生命体代谢的改善,这在这个平台上已经有很多位专家做了非常精彩的解说。那么我们为什么在这项研究里头都选择了中长链脂肪酸进行分析呢?

这个还是要从我们的关键产热蛋白UCP1说起,就是在棕色脂肪组织里可以利用脂肪酸和葡萄糖来产热,脂肪酸其实是它的底物。

但是最近的一项研究表明,只有中长链脂肪酸才是UCP1转运H+的一个必要元件。中长链脂肪酸可以稳定地结合在这个UCP1通道上协助去转运H+,激活其产热活性;而短链脂肪酸则失去了这种功能。

因此,我们就对粪肠球菌处理之后的这两组小鼠的血清中的中长链脂肪酸的组成和含量进行了一个测定,结果显示,人参处理之后,很多种中长链脂肪酸都发生了变化。

那么我们怎么确定哪一种或者哪一些特定的脂肪酸是由于粪肠球菌所产生的呢?我们就在体外对粪肠球菌进行了培养。

接着呢,就对培养基中的中长链脂肪酸的组成和含量进行了分析,就发现,粪肠球菌可以明显的上调肉豆蔻脑酸甲酯——也就是C14:1的含量。

那么这个C14:1是不是粪肠球菌和棕色脂肪之间交流的信使呢?

我们就用这个C14:1对肥胖小鼠又进行了饲喂,然后结果也显示,这个C14:1处理组小鼠在不影响运动量和饮食量的情况下,显著减轻了其体重增长,并且体脂含量也是显著下降。

在寒冷刺激之后,这个C14:1处理组的小鼠的体温有一个明显的升高,然后表明了棕色脂肪活性的增加,而这个组织切片的结果也显示棕色脂肪的形态得到了一个明显的改善。

确定了这个信使是肉豆蔻脑酸甲酯之后呢,我们就想知道这个信使是由哪个基因负责合成的?

在这里,我们也是进行了大量的情报工作,就发现这个酰基辅酶A转移酶(ACOT)对于维持胞内的一个脂质平衡起着非常重要的作用。

因此我们就选用CRISPR/CAS9技术,对粪肠球菌中ACOT这个基因的表达进行了干扰,建立了这样一个ACOT表达量下降的敲降菌株。

成功构建了菌株之后,我们对野生型和敲降菌株在体外进行了培养,并对上清中的脂肪酸含量又进行了检测。

我们的结果就表明,在ACOT敲降之后其实不影响短链脂肪酸的组成,并且也不影响大部分的长链脂肪酸的组成,而是C14:1的合成受到了一个显著的下调。

接着呢,我们就用C14:1合成能力受损的这样一个敲降菌株对肥胖小鼠又进行了饲喂,然后结果就发现,它不再能够令小鼠减肥,也不再能够使小鼠变红。

因此在这里我们做一个总结,就是通过我们一系列的研究就发现,人参其实是通过增加了肠道菌群中粪肠球菌的丰度来调节了棕色脂肪的活性,然后促进了机体的能量代谢,进而减轻了肥胖小鼠的体重,并且在这个过程当中改善了脂肪肝和葡萄糖紊乱的状态。

在这个中间,粪肠球菌是通过它的代谢产物——肉豆蔻脑酸甲酯来发挥调节功能的,而ACOT这个酶在C14:1的合成当中起着或至少部分起着一个重要作用。

我们在今后也希望能够通过和专业的团队合作,早日实现我们这些研究成果的临床转化,为抗肥胖药物的研发贡献一份自己的力量。

最后呢,特别感谢我们的团队,我们这个能量代谢调控研究组,也非常欢迎热衷于生命科学研究的小伙伴们加入我们这个和谐温暖的大家庭。

谢谢大家!

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