肠道微生物组与大脑进化：能量分配的新见解
研究人员揭示了肠道微生物如何塑造代谢策略以支持更大的大脑，为灵长类动物的进化生物学提供了新的视角。
假设模型：高脑身比和低脑身比灵长类的微生物影响代谢途径。我们的研究结果表明，微生物介导的途径使高脑身比灵长类的代谢偏向于能量生产，而低脑身比灵长类的代谢偏向于能量储存。
在美国进行的一项最新研究中，研究人员调查了肠道微生物组在不同物种间影响宿主代谢的作用，特别关注脑大小不同的灵长类动物。他们将来自人类、松鼠猴和猕猴的肠道微生物移植到无菌小鼠体内，研究微生物群落如何贡献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：大脑较大相对于身体大小的物种表现出增强的微生物途径，用于岩藻糖和丙酮酸代谢，推动能量生产，而大脑较小相对于身体大小的物种则倾向于能量储存途径，如丁酸发酵。
大脑较大在能量上代价高昂，特别是在灵长类动物中，大脑大小通常与增加的代谢需求相关。人类作为灵长类中大脑与身体比例最大的物种，表现出适应性，如更高的葡萄糖代谢，以维持这些高能耗器官。然而，驱动这些跨物种代谢差异的机制尚不明确。
现有的研究表明，遗传和表观遗传因素参与了这些代谢差异，但它们与系统代谢的关系仍不清楚。肠道微生物组是宿主代谢的重要调节器，产生短链脂肪酸（SCFAs）等代谢物，影响能量储存、葡萄糖生产和脂肪代谢。此外，尽管其在代谢疾病（如糖尿病）中的作用已得到认可，但其在跨物种代谢差异中的贡献，特别是与大脑能量需求相关的方面，仍较少被探讨。
研究内容
在这项研究中，科学家们假设肠道微生物组的差异介导了代谢策略，平衡了具有不同脑大小的灵长类动物的大脑功能与生长和维护的能量需求。研究人员使用无菌小鼠进行实验，研究肠道微生物组如何影响不同脑大小宿主的代谢。
将三种灵长类动物（人类、松鼠猴和猕猴）的肠道微生物移植到无菌小鼠体内，评估微生物差异对宿主代谢的影响。选择人类和松鼠猴作为“优先大脑”的物种，因为它们的大脑相对身体大小较大，而猕猴则作为对照，其大脑与身体的比例较低。
从健康的成年灵长类动物中收集未使用抗生素的粪便样本，经过处理后，通过口服方式接种到无菌小鼠体内，小鼠在标准饮食下饲养60天。每周评估包括体重测量、食物消耗和代谢评价，同时收集粪便和血液样本进行微生物组和代谢物分析。进行了葡萄糖耐量测试以测量葡萄糖调节情况，小鼠还接受了磁共振成像扫描以评估体脂分布。
研究人员还使用宏基因组学和代谢组学分析，确定特定的微生物途径和代谢物对宿主代谢特征的贡献。通过高分辨率成像和肝脏组织的核糖核酸（RNA）测序，提供了器官特异性代谢反应的见解。通过16S核糖体核糖核酸（rRNA）测序分析小鼠肠道中的微生物组成，宏基因组技术量化了SCFA生产和微生物功能途径。
结果
独特的人类特征：携带人类微生物组的小鼠表现出独特的代谢特征，如最高的空腹血糖和甘油三酯水平，反映了人类大脑的特殊能量需求。
结果显示，肠道微生物组显著影响宿主代谢，这些影响与灵长类动物的脑大小一致。接种来自大脑较大相对于身体大小物种（如人类和松鼠猴）的肠道微生物的小鼠表现出更高的能量消耗、更高的空腹血糖水平和增强的糖异生。相反，接种来自猕猴的微生物的小鼠表现出更多的脂肪积累和体重增加。
此外，接种来自大脑较大物种的微生物的小鼠虽然食量更大，但体脂百分比更低，体重增长更慢。这些小鼠中观察到较高水平的SCFA，如乙酸和丙酸，表明微生物对增加葡萄糖生产和减少脂肪储存的贡献。
宏基因组分析显示，与能量生产相关的微生物途径（如岩藻糖和丙酮酸代谢）在大脑较大相对于身体大小的微生物组中更为丰富。此外，这些小鼠肝脏功能相关基因的表达显示，能量生产途径（如脂质代谢和糖异生）的富集。这些变化表明，代谢编程旨在优先考虑大脑功能的能量需求。
相比之下，接种猕猴微生物的小鼠表现出倾向于能量储存的微生物途径。它们的微生物组产生的SCFA浓度较低，功能与脂肪沉积和减少葡萄糖生产一致。这些差异表明，在能量分配给大脑与脂肪组织之间存在权衡。
有趣的是，接种人类微生物的小鼠表现出独特的代谢谱，空腹血糖和丙酸水平最高，这与人类大脑的特殊能量需求相符。尽管食量更大，这些小鼠的体重增长却很少，进一步强调了肠道微生物组在代谢调节中的作用。总体而言，结果突显了肠道微生物组调节宿主能量分配策略的能力，反映了宿主物种脑大小及其相关能量需求的代谢需求。
结论
总之，该研究展示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能量需求方面的关键作用。研究结果表明，微生物群落影响葡萄糖生产、脂肪储存和能量分配，为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贡献物种特异性生活史特征（如生长、繁殖和寿命）奠定了基础。未来的研究可以探讨在大脑能量需求高峰的早期发育阶段，微生物组与宿主的相互作用。
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