2型糖尿?。═2D）是一種由多種遺傳和環(huán)境因素引起的廣泛存在的代謝性疾病。腸道微生物群與宿主之間的相互作用在飲食誘導的T2D發(fā)病機制中起著關鍵作用。高脂飲食（HFD）會導致腸道微生物群的紊亂，破壞腸-肝軸的穩(wěn)態(tài)，并通過微生物代謝物影響肝臟的代謝功能，從而導致肝臟胰島素抵抗和葡萄糖代謝異常。在腸道中，色氨酸是一種重要的芳香族氨基酸，其代謝途徑與腸道微生物群的活動密切相關。色氨酸代謝的紊亂與T2D的發(fā)生有著重要聯(lián)系。然而，盡管已有研究揭示了腸道微生物群在色氨酸代謝中的作用，但其具體機制仍不明確。

2024年8月，華東理工大學葉邦策/周英、浙江工業(yè)大學漆楠在Proc Natl Acad Sci U S A（IF=9.4）上發(fā)表題為“The microbiota-dependent tryptophan metabolite alleviates high-fat diet–induced insulin resistance through the hepatic AhR/TSC2/mTORC1 axis”的研究文章。通過對高脂飲食誘導的胰島素抵抗小鼠模型的腸道微生物群和代謝組進行綜合分析，揭示了腸道微生物群依賴的色氨酸代謝產(chǎn)物5-羥吲哚-3-乙酸（5-HIAA）通過激活肝臟AhR/TSC2/mTORC1信號通路緩解高脂飲食誘導的胰島素抵抗。

文章名稱：The microbiota-dependent tryptophan metabolite alleviates high-fat diet–induced insulin resistance through the hepatic AhR/TSC2/mTORC1 axis（Proc Natl Acad Sci U S A，IF=9.4，2024.08）

作者單位：華東理工大學、浙江工業(yè)大學

研究材料：血清、糞便

分組信息：雄性C57BL/6J小鼠（4周齡，n=6）連續(xù)喂食15周，對照組：ND小鼠（正常飲食）、實驗組：HFD小鼠（高脂飲食）

組學技術(shù)：血清/糞便：非靶和靶向代謝組學、糞便：16S rDNA和宏基因組測序

技術(shù)路線：

PART 01

研究結(jié)果

01、高脂飲食誘導的胰島素抵抗小鼠表現(xiàn)出腸道微生物群的顯著變化

喂養(yǎng)過程中，HFD小鼠的體重增量更多，出現(xiàn)空腹高血糖（圖1A和B）。HFD小鼠可觀察到糖耐受性和胰島素耐受性受損。糞便進行16S rDNA測序和宏基因組分析：HFD喂養(yǎng)顯著改變了小鼠的腸道微生物群組成（圖1E）。HFD小鼠擬桿菌門相對豐度下降，厚壁菌門豐度增加，與肥胖人群的腸道微生物特征一致。

圖1 HFD誘導的IR小鼠表現(xiàn)出腸道微生物群的顯著變化

(圖源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)

02、高脂飲食誘導的胰島素抵抗小鼠5-HIAA水平降低

ND和HFD的小鼠的腸道代謝水平之間存在顯著差異（圖2A和B）。差異代謝物主要富集的途徑包括不飽和脂肪酸的生物合成、苯丙氨酸代謝、酪氨酸代謝和色氨酸代謝（圖2D）。

色氨酸代謝在T2D和其他代謝綜合征中發(fā)揮作用，且色氨酸代謝物5-HIAA在HFD小鼠的糞便中的存在水平低于ND小鼠（圖2E）；靶向代謝組學證明：HFD小鼠的糞便和血清中的5-HIAA含量都降低（圖2F）。說明在HFD誘導的IR小鼠中，5-HIAA通過色氨酸代謝受損而減少。

圖2 HFD誘導的IR小鼠5-HIAA水平降低

(圖源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)

03、5-HIAA可在體內(nèi)經(jīng)微生物通過非典型途徑由色氨酸產(chǎn)生

為探討5-HIAA是否可以由腸道微生物群由宿主獨立產(chǎn)生。分別用Trp、5-HTP和5-HT對小鼠糞便懸液進行培養(yǎng)，測量5-HIAA的濃度。發(fā)現(xiàn)Trp和5-HTP在微生物催化過程中有顯著的5-HIAA的產(chǎn)生，而5-HT沒有（圖3B），表明這種微生物代謝途徑獨立于典型的5-HT途徑（luz15酶介導）。

小鼠糞便樣本進行了宏基因組分析。在小鼠腸道微生物群中存在192株微生物菌株，具有與luz15同源的酶。通過質(zhì)譜檢測驗證微生物從5-HTP中產(chǎn)生5-HIAA的非典型途徑能力。

圖3 5-HIAA可在體內(nèi)經(jīng)微生物通過非典型途徑由色氨酸產(chǎn)生

(圖源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)

04、5-HIAA改善葡萄糖耐受不良和肥胖且保持肝胰島素敏感性

體內(nèi)和體外試驗，檢驗5-HIAA是否具有改善胰島素抵抗的活性。動物模型進行糖耐量試驗（OGTT）和胰島素耐量試驗（ITT）：5-HIAA改善了葡萄糖耐受和胰島素耐受。

細胞模型經(jīng)5-HIAA處理后，胰島素促進的IRS1酪氨酸磷酸化和下游Akt磷酸化水平降低，提示5-HIAA可以促進肝臟胰島素信號轉(zhuǎn)導，保護胰島素敏感性。

圖4 5-HIAA改善葡萄糖耐受不良和肥胖且保持肝胰島素敏感性

(圖源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)

05、5-HIAA通過激活肝臟AhR/TSC2/mTORC1軸來促進胰島素信號傳導

推測5-HIAA對胰島素信號傳導的促進可能依賴于其對mTORC1信號通路的抑制。細胞實驗證實5-HIAA抑制了mTORC1介導的S6K1磷酸化（圖5A）。對于mTORC1上游負調(diào)控因子TSC2，5-HIAA劑量可以依賴性地刺激TSC2基因的轉(zhuǎn)錄，提高其蛋白水平（圖5B和C）。且TSC2被沉默情況下，5-HIAA喪失對mTORC1激活的抑制。

另外體內(nèi)體外實驗中發(fā)現(xiàn)5-HIAA可以以配體依賴的方式激活AhR，且證實了AhR在TSC2-mTORC1信號通路中的上游作用，證明5-HIAA通過AhR抑制TSC2-mTORC1通路。

圖5 5-HIAA通過激活肝臟AhR/TSC2/mTORC1軸來促進胰島素信號傳導

(圖源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)

06、T2D患者顯示5-HIAA水平下降

臨床上，T2D患者（n = 21）與無T2D（H；n = 15）的糞便細菌發(fā)酵液中5-HIAA水平下降（圖6A）。同時，T2D患者（n=23）與健康受試者（n = 22）血清中5-HIAA水平降低（圖6B）。雖然兩組間尿液中5-HIAA水平無顯著性差異，但仍觀察到T2D受試者有下降趨勢（圖6C）。

圖6 T2D患者顯示5-HIAA水平下降

(圖源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)

PART 02

文章小結(jié)

該研究通過動物模型糞便、血清樣本的16S rDNA測序、宏基因組測序、非靶以及靶向代謝組學等技術(shù)，揭示腸道微生物群依賴的色氨酸代謝物5-HIAA在高脂飲食誘導的胰島素抵抗和T2D中的重要作用；并發(fā)現(xiàn)5-HIAA是通過調(diào)節(jié)肝臟AhR/TSC2/mTORC1信號通路，改善胰島素敏感性和葡萄糖代謝，具有潛在的治療價值。此外，5-HIAA水平的降低可能作為T2D早期診斷的生物標志物，進一步的研究可以探索其在臨床應用中的可能性。

PART 03

拜譜小結(jié)

5-HIAA是5-羥色胺下游的一種色氨酸代謝物，文章采用多組學技術(shù)剖析了5-HIAA促進肝臟胰島素信號傳導和保護胰島素敏感性的潛在機制，揭示了腸道微生物依賴的5-HIAA在T2D發(fā)病機制中的調(diào)節(jié)作用，并為將5-HIAA作為潛在的糖尿病治療藥物提供了新的見解。

拜譜生物作為一家國內(nèi)領先的多組學服務公司，可提供完善成熟的（修飾）蛋白質(zhì)組、（非）靶向代謝組（如靶向色氨酸代謝組）、轉(zhuǎn)錄組以及微生物組等多組學產(chǎn)品技術(shù)服務體系。歡迎致電咨詢！

參考文獻：

Du W, Jiang S, Yin S, Wang R, Zhang C, Yin BC, Li J, Li L, Qi N, Zhou Y, Ye BC. The microbiota-dependent tryptophan metabolite alleviates high-fat diet-induced insulin resistance through the hepatic AhR/TSC2/mTORC1 axis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Aug 27;121(35):e2400385121.