Nature Medicine │ 胆汁酸-肠道菌群调控多囊卵巢综合征的新机制

来源: 麦特绘谱生物科技(上海)有限公司   2019-10-10   访问量:1159评论(0)

多囊卵巢综合征(Polycystic Ovary Syndrome, PCOS)是一种临床表现高度异质性的内分泌代谢紊乱症候群,是育龄妇女无排卵性不孕最主要的原因,以高雄激素、排卵功能障碍和卵巢多囊样改变为特征,常伴发胰岛素抵抗。由于其发病机制仍不清楚,因此限制了相关治疗的发展。

北京大学第三医院乔杰团队和北京大学基础医学院姜长涛团队,合作揭示了肠道菌群及其代谢产物对PCOS相关卵巢功能障碍和胰岛素抵抗的调节作用,相关研究成果发表在《Nature Medicine》上(文末有下载原文方式)


多囊卵巢综合征患者肠道菌群和胆汁酸的分析

本研究招募43名健康对照和50名PCOS患者,全基因组鸟枪测序结果显示,普通拟杆菌(Bacteroides vulgatus)对群体分离有显著贡献,并且,与健康对照组相比,PCOS患者B. vulgatus丰度明显增加(图1c)。KEGG分析发现,胆汁酸代谢是PCOS患者肠道菌群变化影响的主要代谢途径之一(图1d)。其中,与对照组相比,PCOS患者粪便和血清中的甘氨脱氧胆酸(GDCA)和牛磺熊去氧胆酸(TUDCA)水平降低(图1e, 1f),B. vulgatus与GDCA和TUDCA呈负相关(图1g, 1h)。有趣的是,之前有研究表明B. vulgatus能水解肝内合成的结合型胆汁酸。与对照组相比,PCOS患者中B. vulgatus的胆汁盐水解酶(bsh)基因的丰度显著增加。这些数据表明,PCOS患者肠道菌群B. vulgatus显著上调,进而影响了宿主体内GDCA和TUDCA的代谢

菌移植影响胰岛素敏感性、卵巢功能、胆汁酸谱和IL-22产生

为了研究菌群对PCOS的影响,研究人员将健康对照组和PCOS患者的粪便通过灌胃移植到小鼠体内。结果显示,与对照移植组相比,PCOS移植小鼠表现出胰岛素抵抗(图2a, 2b),且发情周期紊乱(图2c, 2d)。此外,PCOS移植小鼠卵巢中囊样滤泡数量增加,黄体减少(图2e)。与对照移植组相比,PCOS移植小鼠交配后第一窝幼崽的数量数量有所减少(图2f)。

研究人员进一步探讨了B. vulgatus在PCOS发病机制中的作用,将B. vulgatus灌胃给野生型受体小鼠,以高温灭活的B. vulgatus灌胃受体小鼠作为对照。研究结果显示,B. vulgatus灌胃可诱导小鼠出现胰岛素抵抗(图2g, 2h),并破坏了发情周期(图2i, 2j)、卵巢形态(图2k)和激素水平。这些数据表明,PCOS患者肠道菌群B. vulgatus丰度升高可调节PCOS小鼠模型的胰岛素抵抗和卵巢功能障碍

肠道菌群及其代谢产物可能通过对免疫系统的作用有助于葡萄糖的稳态维持。PCOS移植或B. vulgatus移植小鼠的肠道TUDCA水平显著降低(图2l)。此外,肠组织Il22 mRNA水平均显著下降,且PCOS小鼠中血清白介素-22 (IL-22)水平也降低(图2m, 2n)。与小鼠实验数据一致,PCOS患者血清和卵泡液中IL-22水平明显低于对照组(图2o, 2p)


IL-22或胆汁酸可改善PCOS小鼠的胰岛素抵抗、卵巢功能障碍

IL-22和GDCA对PCOS小鼠的葡萄糖代谢和卵巢功能会有何影响呢?研究人员发现,IL-22或GDCA均可降低B. vulgatus移植小鼠的胰岛素抵抗(图3a,图3b),并且基本上逆转了中断的发情周期(图3c,图3d)、卵巢的形态变化(图3e-3g)、异常的激素水平(图3h,图3i)以及第一胎幼崽数量下降的情况(图3j)。所以,IL-22和GDCA对B. vulgatus移植小鼠的胰岛素抵抗、卵巢功能障碍和不孕症具有重要治疗作用


胆汁酸- GATA3通路调控的IL-22改善PCOS小鼠胰岛素抵抗和卵巢功能障碍

胆汁酸能否调节IL-22的产生?通过体外实验发现,TUDCA或GDCA可诱导ILC3s细胞IL-22 蛋白分泌和Il22 mRNA 水平升高。结合动物实验结果初步明确胆汁酸参与IL-22水平调控进而影响PCOS卵巢功能及胰岛素敏感性。为进一步明确该机制,采用TGR5(G蛋白偶联胆汁酸受体)拮抗剂--三氨蝶呤进行验证,结果表明,给予三氨蝶呤后GDCA诱导的IL-22升高被抑制。

GATA结合蛋白3(GATA3)表达对内稳态、ILC3亚型的生成与功能维持以及IL-22生成至关重要。研究发现三氨蝶呤可抑制胆汁酸诱导的GATA3表达升高,同时体内研究显示,GDCA诱导肠道Gata3 mRNA水平升高(图4f),值得注意的是,PCOS粪菌移植或B. vulgatus移植小鼠肠道GATA3水平降低(图4g, 图4h)。这说明,GATA3信号通路参与胆汁酸介导的IL-22生成

此外,补充GDCA或IL-22的B. vulgatus移植小鼠中,皮下脂肪和棕色脂肪中Ucp1Pgc1amRNA表达水平显著升高。

IL-22还可显著逆转PCOS患者粒层细胞中CCL2CCL20IL1B mRNA的表达增强(图4n),同时,CCL2、CCL20和IL-1β分泌减少(图4o-4q)。后续的研究需要验证STAT3 -腺苷单磷酸活化蛋白激酶通路是否介导IL -22诱导的PCOS颗粒细胞炎症的抑制作用。这些数据表明,胆汁酸通过激活肠道3型固有淋巴细胞(ILC3)的GATA3通路刺激IL-22分泌,进一步促进白色脂肪棕色化以及抑制卵巢局部炎症,进而改善PCOS表型

小结


本研究发现,PCOS患者肠道菌群中,普通拟杆菌(Bacteroides vulgatus)丰度显著升高,GDCA和TUDCA水平显著降低。正常小鼠移植PCOS患者粪菌或者移植B. vulgatus菌种重塑小鼠肠道菌群后,出现卵巢功能紊乱、胰岛素抵抗、胆汁酸代谢改变、白细胞介素-22分泌减少和不孕。机制研究发现,GDCA通过GATA结合蛋白3诱导肠道3型固有淋巴样细胞IL-22的分泌,IL-22进而改善PCOS表型。这一发现与PCOS患者中IL-22水平降低是一致的。


不孕症和代谢综合征是多囊卵巢综合征患者担忧的主要问题。该研究以肠道菌相关代谢产物调控机体肠道免疫为切入点,深入探讨肠道菌群-胆汁酸- IL22轴在PCOS中的重要作用,阐明了肠道菌与胆汁酸调控肠道ILC3细胞分泌IL-22的新机制。因此,调节肠道菌群、胆汁酸和IL-22对PCOS的治疗具有重要价值,为防治多囊卵巢综合征提供了新视角


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参考文献

Xinyu Qi et al. Gut microbiota–bile acid–interleukin-22 axis orchestrates polycystic ovary syndrome. Nature Medicine (2019), https://doi.org/10.1038/s41591-019-0509-0.

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