你何时进食，决定你是谁？也许正是如此。
类似于昼夜节律帮助调节我们自然入睡和醒来的时间，肠道中的微生物节律也在一天中的特定时间活跃，帮助调节我们的消化功能。
加州大学圣地亚哥分校的研究人员致力于追踪这些微生物节律，以确定将进食时间与肠道微生物最活跃的时间对齐是否能增强我们的代谢健康。这种对齐被称为时间限制喂养（Time-Restricted Feeding，TRF）。
“微生物节律是指生活在我们肠道中的微生物组成和功能的每日波动。就像我们的身体遵循一个内部时钟（昼夜节律）一样，肠道微生物也有它们自己的节律，根据一天中的时间以及我们进食的时间调整它们的活动，”加州大学圣地亚哥分校医学院胃肠病学家兼医学副教授、该研究的资深作者Amir Zarrinpar博士表示。
Zarrinpar及其团队特别感兴趣的是，采用TRF方法是否能够抵消通常与高脂饮食相关的有害代谢影响。
这项研究的另一亮点是团队使用了一种新技术，能够实时观察肠道微生物的变化——这是现有宏基因组学技术此前无法实现的。
如何借助新技术推进研究
研究人员将三组小鼠分开，以分析它们的微生物组活动：一组是自由摄取高脂饮食的小鼠，另一组是在每天8小时的TRF窗口内摄取相同高脂饮食的小鼠，第三组是自由摄取正常饲料的对照组。
“在小鼠中，它们的微生物节律与它们的夜行性生活方式高度一致。例如，在它们活跃（夜间）期间，某些有益的微生物活动增加，有助于消化食物、吸收营养和调节代谢，”Zarrinpar解释道。因此，团队确保小鼠的TRF窗口设置在夜间或它们通常清醒的时间段。
“我们选择8小时的进食窗口是基于早期研究，显示这个时间段允许小鼠摄入与自由进食组相同的总热量，”Zarrinpar说。“通过以这种方式控制热量摄入，我们确保所观察到的任何代谢或微生物益处都专门归因于进食时间，而不是总摄入食物量的差异。”
但在进行任何观察之前，团队首先需要一种方法来实时观察动物肠道微生物组的变化。
Zarrinpar及其团队借助宏转录组学（metatranscriptomics）实现了这一目标，这是一种通过分析RNA转录本来捕捉微生物实时活动的技术。与更传统的宏基因组学技术相比，后者只能识别哪些基因存在，宏转录组学提供了更深入的时间和活动相关背景信息，使团队能够观察到微生物的动态变化。
“宏转录组学帮助我们了解的不仅仅是哪些微生物存在，而是它们在特定时刻具体在做什么，”Zarrinpar说。“相比之下，宏基因组学仅关注微生物DNA，它提供的是关于微生物潜在能力的信息，但无法告诉我们这些基因是否正在被活跃表达。通过比较不同饮食和喂养条件下（在明暗周期中）的微生物基因表达（使用宏转录组学）和微生物基因丰度（使用宏基因组学），我们旨在识别进食时间如何影响微生物活动。”
由于宏基因组学关注的是稳定的遗传物质，因此它无法捕捉到饮食时间对微生物的实时响应，而这种响应是RNA所反映的短暂变化。同时，RNA的不稳定性也使得实验验证假设变得困难，这也是为什么研究人员尚未广泛依赖宏转录组学的原因。
为了克服这一难题，Zarrinpar和他的团队不得不等待改进的生物信息学工具，以简化他们对复杂数据集的分析。“我们花了好几年才分析完这个数据集，因为当我们最初收集样本时，稳健的宏转录组学分析计算工具并不广泛可用。此外，测序成本也非常高。为了清晰地识别微生物活动，我们需要进行深度测序覆盖，以区分物种水平上的基因表达差异，尤其是那些在多种微生物中常见的基因，”Zarrinpar说。
他们的发现
在监测这些小鼠群体8周后，结果揭晓。
正如预测的那样，自由获取高脂饮食的小鼠表现出因昼夜节律和微生物节律紊乱而引起的代谢功能障碍迹象。“当小鼠可以自由获取高脂饮食时，它们的正常进食行为发生了显著变化。它们不再将活动和进食限制在夜间活跃期，而是开始在白天（它们通常的休息期）保持清醒并进食，”Zarrinpar解释道。
“这种异常的白天活动干扰了重要的生理过程。因此，这些动物经历了昼夜节律失调，这种情况类似于人类轮班工作者的睡眠-觉醒和进食周期与内部生物钟不一致的情况，”他继续说道。“这种失调会对代谢、免疫和整体健康产生负面影响，可能导致代谢疾病。”
而对于在TRF窗口内摄取高脂饮食的小鼠，代谢表型分析表明，这种特定的饮食方案保护它们免受高脂饮食引起的有害影响，包括肥胖、炎症和胰岛素抵抗。
更令人鼓舞的是，这些小鼠不仅免受代谢紊乱的影响，还表现出生理改善，包括葡萄糖稳态的改善，以及在自由获取高脂饮食的小鼠中缺失的日常微生物节律的部分恢复。
虽然TRF方法未能完全恢复对照组小鼠中观察到的正常健康节律，但研究人员注意到微生物模式的明显变化，表明在脂质和碳水化合物代谢相关的基因上出现了时间依赖性的富集。
更好的代谢健康——以及更好的研究工具
值得庆幸的是，最新的测序技术进展，包括长读长测序方法，使宏转录组学研究变得更加容易。“这些新平台提供了更高的分辨率，同时成本更低，使宏转录组学变得越来越普及，”Zarrinpar表示。他相信，随着这些新兴技术的发展，宏转录组学将成为研究人员更标准、更广泛使用的方法，以更好地理解微生物活动对我们健康的影响。
例如，这些工具使Zarrinpar和他的团队能够深入研究他们发现的一种特定酶的转录情况，该酶被证明是可观察到的代谢改善的关键影响因素：胆盐水解酶（BSH），已知其可调节脂质和葡萄糖代谢。TRF方法显著增强了肠道微生物Dubosiella newyorkensis在白天的BSH基因表达，该微生物在人类中具有功能性等效物。
为了确定为何会发生这种情况，团队利用基因工程技术，将几种活性BSH基因变体插入一种良性的肠道细菌菌株中，并将其给予小鼠。唯一产生代谢改善的变体是来自Dubosiella newyorkensis的变体；接受这种表达BSH的工程原生菌（ENB）的小鼠表现出更高的瘦肌肉质量、更低的体脂、更低的胰岛素水平、增强的胰岛素敏感性和更好的血糖调节。
“目前还为时尚早，尚无法了解这种新BSH表达工程原生菌的全部临床潜力，”Zarrinpar表示。“然而，我们的长期目标是开发一种可单次给药、稳定定植肠道并提供长期代谢益处的疗法。”下一步是在高脂饮食下肥胖和糖尿病小鼠中测试这种工程细菌，以确定其潜力是否确实成立。如果被证明有效，它可用于开发未来的靶向疗法和干预措施，以治疗常见的代谢紊乱。
有了这种工程细菌，Zarrinpar和他的团队希望它本身就能复制遵循TRF饮食计划所带来的微生物益处。“在我们的研究中，这种工程菌持续表达了DnBSH1酶，而不受饮食或环境因素的影响。因此，这种细菌提供了与TRF相似的代谢益处，即使不需要小鼠严格遵守TRF时间表，”Zarrinpar说。
“这表明了一个令人兴奋的可能性，即这种工程微生物可能作为TRF的替代方案，或增强其有益效果，”他继续说道。“进一步的研究将有助于确定将这种ENB与TRF结合是否能带来额外或协同的代谢健康改善。”
展望未来
“作为单吻合口十二指肠转位术的开创者，该手术将胆汁与食物分离，直到消化道下半段才混合，我同意胆汁在控制代谢和血糖方面非常重要，”纽约霍普金顿Lenox Hill医院的肥胖与代谢外科主任、唐纳德和芭芭拉·祖克医学院外科教授Mitchell Roslin博士表示，他未参与这项研究。“使用在胃肠道起作用而不被吸收到体内的酶或药物非常有趣，并具有巨大潜力。这是一个早期但令人兴奋的前景。”
然而，Roslin也表达了一些保留意见。“我们仍在试图理解微生物组差异是原因还是结果/关联。是微生物组本身造成差异，还是不同的微生物组代表了摄入更多纤维和更少加工食品的饮食？因此，虽然我发现这项研究在学术上很迷人，但我认为在我们研究细菌的转录之前，还有许多基本问题需要更好地解答。”
此外，将小鼠中观察到的代谢结果转化为人类可能并不那么直接。“小动物研究是必要的，但这些发现如何转化为人类仍高度推测，”Roslin表示。“用于研究的小鼠通常是为医学研究而培育的，遗传变异性较低。许多动物模型对时间限制进食和热量限制的敏感性高于人类。”
尽管仍需进一步研究和验证，但这项加州大学圣地亚哥分校的研究无疑加深了我们对宿主-微生物相互作用的整体理解。“我们证明宿主的昼夜节律显著影响微生物功能，反之，这些微生物功能也能直接影响宿主的代谢，”Zarrinpar说。“重要的是，我们现在有了一种方法，可以通过工程改造原生肠道细菌来测试特定微生物活动如何影响宿主生理。”
Roslin同样强调了继续投资探索我们体内微生物生态系统的重要性。“有更广泛的证据表明，细菌和微生物不仅仅是搭便车者，它们可能在操控我们采取的每一个行动。”
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