减重手术对肥胖小鼠糖脂代谢的影响：基于转录组学与LC-MS非靶向代谢组学的分析

Effects of bariatric surgery on glucose and lipid metabolism in obese mice: An integrated transcriptomic and LC-MS-based untargeted metabolomics analysis

摘要

目的 肥胖及其并发的糖脂代谢紊乱，其健康危害日益突出。减重手术是目前治疗重度肥胖及其代谢合并症的有效手段。本研究旨在探究减重手术对高脂饮食(high-fat diet，HFD)诱导的肥胖小鼠糖脂代谢的影响。 方法 构建肥胖小鼠模型。将4周龄雄性C57BL/6J小鼠(n=32)分为对照(control，CTL)组(n=8)、HFD组(n=24)。在小鼠20周龄时，将HFD组进一步分为3个亚组，每组8只：HFD-HFD组(不做特殊干预)、HFD-SHAM组(进行假手术)、HFD-袖状胃切除术(sleeve gastrectomy，SG)组(进行SG)。每周记录小鼠的体重和摄食量；分别在20周龄(术前)和24周龄(术后4周)对小鼠进行腹腔葡萄糖耐量试验(intraperitoneal glucose tolerance test，IPGTT)及腹腔胰岛素耐量试验(intraperitoneal insulin tolerance test，IPITT)；在24周龄时，采集禁食小鼠血液样本和米色、白色及棕色脂肪组织。血液样本用于测定血清中游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)、总胆固醇(total cholesterol，TC)、甘油三酯(triglyceride，TG)及胰岛素水平。脂肪组织用于HFD-SHAM与HFD-SG组间差异表达基因和差异代谢物的筛选。对差异表达基因进行基因本体论(Gene Ontology，GO)功能富集分析和京都基因和基因组数据库(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG)通路富集分析，对差异代谢物进行通路富集分析，并整合转录组与代谢组数据，分析相关联通路及相关基因的表达特征。 结果 在术后4周，相较于HFD-HFD组和HFD-SHAM组，HFD-SG组的体重及摄食量显著降低(均P<0.05)；葡萄糖耐量及胰岛素耐量显著改善(均P<0.05)；胰岛素、FFA、TC、TG水平均显著降低(均P<0.05)。在脂肪组织转录组学分析中，HFD-SG组与HFD-SHAM组共鉴定出763个差异表达基因，其中384个上调、379个下调。GO及KEGG富集分析显示类固醇激素生物合成等通路被激活。代谢组学分析进一步筛选出16个差异代谢物，富集分析涉及抗坏血酸与醛糖二酸代谢、叶酸介导的一碳代谢等通路。整合转录组与代谢组数据发现，类固醇激素生物合成及叶酸介导的一碳代谢通路HFD-SG组与HFD-SHAM组间存在关联。在类固醇生物合成通路中，LSS、Nsdhl、DHCR24、Hsd17b7、MSMO1、SQLE、CYP51等7个基因在HFD-SG组的3种脂肪组织中均呈上调趋势，而在HFD-SHAM组呈下调趋势；代谢物5-雄烯二醇在HFD-SG组中下调，与基因表达趋势相反。在叶酸介导的一碳代谢通路中，Aldh1l2、GNMT仅在HFD-SHAM组米色脂肪组织中上调，而TYMS、Sardh在HFD-SG组米色及白色脂肪组织中上调；代谢物脱氧胸苷-5’-单磷酸在HFD-SG组上调，与基因表达趋势一致。 结论 减重手术可显著降低HFD诱导的肥胖模型小鼠的体重与摄食量，改善其葡萄糖耐量和胰岛素耐量，纠正其紊乱的血脂代谢。手术可调节脂肪组织中类固醇生物合成及叶酸介导的一碳代谢通路，改变关键基因与代谢物的表达特征。减重手术通过重塑脂肪组织代谢相关通路系统性改善糖脂代谢，本研究为肥胖及相关代谢性疾病的治疗提供了新的分子依据。

Abstract

Objective Obesity and its associated disorders of glucose and lipid metabolism have become increasingly significant public health concerns. Bariatric surgery is an effective intervention for severe obesity and related metabolic comorbidities. This study aims to investigate the effects of bariatric surgery on glucose and lipid metabolism in high-fat diet (HFD)-induced obese mice. Methods An obesity mouse model was established. Four-week-old male C57BL/6J mice (n=32) were randomly divided into a control (CTL) group (n=8) and an HFD group (n=24). At 20 weeks of age, HFD mice were further divided into 3 subgroups (n=8 per group): a HFD-HFD group, a sham-operated group (HFD-SHAM group), and an HFD-sleeve gastrectomy (SG) group. Body weight and food intake were recorded weekly. Intraperitoneal glucose tolerance tests (IPGTT) and intraperitoneal insulin tolerance tests (IPITT) were performed at 20 weeks (preoperatively) and 24 weeks (4 weeks postoperatively). At 24 weeks, fasting blood samples and beige, white, and brown adipose tissues were collected. Serum levels of free fatty acids (FFA), total cholesterol (TC), triglycerides (TG), and insulin were measured. Transcriptomic and metabolomic analyses were conducted to identify differentially expressed genes (DEGs) and differential metabolites between the HFD-SHAM and HFD-SG groups. Gene Ontology (GO) and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) enrichment analyses were performed, followed by integrative analysis of transcriptomic and metabolomic data. Results Four weeks after surgery, compared with the HFD-HFD and HFD-SHAM groups, the HFD-SG group showed significantly reduced body weight and food intake (all P<0.05), improved glucose tolerance and insulin sensitivity (both P<0.05), and decreased levels of insulin, free fatty acids (FFA), total cholesterol (TC), and triglycerides (TG) (all P<0.05). Transcriptomic analysis identified 763 DEGs between the HFD-SG and HFD-SHAM groups, including 384 upregulated and 379 downregulated genes. GO and KEGG enrichment analyses revealed activation of pathways such as steroid hormone biosynthesis. Metabolomic analysis identified 16 differential metabolites enriched in pathways including ascorbate and aldarate metabolism and folate-mediated one-carbon metabolism. Integrative analysis revealed that steroid biosynthesis and folate-mediated one-carbon metabolism pathways were significantly associated between the two groups. In the steroid biosynthesis pathway, genes including LSS, Nsdhl, DHCR24, Hsd17b7, MSMO1, SQLE, and CYP51 were upregulated in all three adipose tissues in the HFD-SG group but downregulated in the HFD-SHAM group, whereas the metabolite androstenediol was decreased in the HFD-SG group. In the folate-mediated one-carbon metabolism pathway, Aldh1l2 and GNMT were upregulated only in beige adipose tissue of the HFD-SHAM group, while TYMS and Sardh were upregulated in beige and white adipose tissues of the HFD-SG group. The metabolite deoxythymidine monophosphate was increased in the HFD-SG group, consistent with gene expression trends. Conclusion SG significantly reduced body weight and food intake, improved glucose tolerance and insulin sensitivity, and corrected lipid metabolism disorders in HFD-induced obese mice. Bariatric surgery regulates steroid biosynthesis and folate-mediated one-carbon metabolism pathways in adipose tissue, altering key gene and metabolite expression profiles. These findings suggest that bariatric surgery improves systemic glucose and lipid metabolism by remodeling metabolic pathways in adipose tissue, providing novel molecular insights for the treatment of obesity and related metabolic diseases.

Graphical abstract

关键词

肥胖 / 减重手术 / 转录组学 / 代谢组学 / 糖脂代谢 / 差异表达基因

Key words

obesity / bariatric surgery / transcriptomics / metabolomics / glucose and lipid metabolism / differentially expressed genes

肥胖已成为全球重要的公共卫生问题，其发病率逐年上升^[1]。肥胖是一种因过量脂肪异常沉积所致的慢性疾病，可促进多种疾病的发生与进展，包括2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)、心血管疾病、非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)及血脂异常等。减重手术是治疗肥胖的重要手段，已证实可显著降低患者体重并改善肥胖相关代谢性疾病^[2]。一项基于大规模人群研究的系统评价和荟萃分析^[3]显示，减重手术可降低严重肥胖人群的长期全因死亡率及肥胖相关疾病(如T2DM、高血压、血脂异常、缺血性心脏病)的发生率。目前，Roux-en-Y胃旁路术(Roux-en-Y gastric bypass，RYGB)与袖状胃切除术(sleeve gastrectomy，SG)是2种最常用的减重术式。RYGB可用于治疗T2DM并改善胰岛素抵抗^[4]。SG仅局限于胃，保留了幽门解剖结构及正常胃排空，具有并发症少、恢复快、效果显著等优点，现已成为全球应用最广泛的减重术式^[5]。SG后通过减少进食量、加速胃排空、调节胃肠激素[胰岛素、胰高血糖素样肽-1(glucagon‑like peptide-1，GLP-1)、瘦素、生长激素释放肽、肽YY(peptide YY，PYY)等]、改变肠道微生物群以及调节下丘脑炎症介质和中枢通路等一系列机制，实现持续减重并改善患者代谢状态^[6]。临床研究^[7]已证实SG可改善脂质代谢，动物实验^[8]亦证实其有益作用。本研究通过动物模型，结合转录组学分析(评估减重手术前后脂肪组织中基因表达变化)与代谢组学分析(检测代谢物谱变化)，旨在全面揭示减重手术对脂质代谢的影响。

1 材料与方法

1.1 伦理声明

本研究已获得内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院医学伦理委员会批准(审批号：D027)。

1.2 实验动物

无特定病原体(specific pathogen free，SPF)级雄性C57BL/6J小鼠，4周龄，共32只，购自斯贝福(北京)生物技术有限公司。小鼠饲养于恒温(22±2) ℃、12 h光照/12 h黑暗循环的环境中，自由进食饮水。在4周龄时，将32只小鼠分为2组：对照(control，CTL)组(n=8)，给予标准饲料[斯贝福(北京)生物技术有限公司]；高脂饮食(high-fat diet，HFD)组(n=24)，给予高脂饮食(60%脂肪)[斯贝福(北京)生物技术有限公司]。小鼠饲养至20周龄时，将HFD组小鼠分为3个亚组，每组8只：HFD-HFD组，继续高脂饮食，不进行手术；假手术(HFD-SHAM)组，行假手术；HFD-SG组，行SG。手术及假手术均在20周龄时进行。术后每周记录小鼠体重及摄食量，直至24周龄时处死(安乐死)取材。

1.3 手术与假手术

所有小鼠术前禁食12 h，自由饮水。麻醉采用异氟醚吸入诱导：3%异氟醚(北京伊诺凯科技有限公司)配合氧气(2 L/min)；维持麻醉：2%异氟醚(北京伊诺凯科技有限公司)配合氧气(1 L/min)。

HFD-SG组小鼠予上腹部中线处切开，显露胃。依次离断肝胃韧带、胃脾韧带及胃网膜右动脉。切除70%~80%的胃组织，完整切除胃底，保留连接食管与十二指肠的狭长胃管。使用6-0聚丙烯缝线连续缝合胃部创缘，4-0聚丙烯缝线连续缝合腹膜及皮肤。

HFD-SHAM组小鼠同样予上腹部中线处切开，显露胃后，仅用无菌手术器械钳夹胃组织，不作任何切除。随后以4-0聚丙烯线连续缝合腹膜及皮肤。术后24 h内，将小鼠置于保温环境中，并给予等渗葡萄糖盐水进行液体复苏；术后第2天起，给予流质饮食(10%全安素，美国雅培公司)；术后第4天起，改喂软性高脂饲料；术后第7天起，恢复为固体高脂饲料。

1.4 腹腔葡萄糖耐量试验与腹腔胰岛素耐量试验

腹腔葡萄糖耐量试验(intraperitoneal glucose tolerance test，IPGTT)：小鼠禁食12~16 h(自由饮水)。腹腔注射葡萄糖溶液(2 g/kg)后，于0、15、30、60、90及120 min时间点采集尾静脉血样，使用血糖试纸及血糖仪(长沙三诺生物传感股份有限公司)测定血糖水平。腹腔胰岛素耐量试验(intraperitoneal insulin tolerance test，IPITT)：小鼠禁食4~6 h(自由饮水)。腹腔注射胰岛素溶液(1 U/kg)后，于0、15、30、60、90及120 min时间点采集尾静脉血样，使用血糖试纸及血糖仪(长沙三诺生物传感股份有限公司)测定血糖水平。以上2项试验均在20周龄(术前)和24周龄(术后4周)小鼠中进行。

1.5 生化指标检测

24周龄时，采集禁食小鼠血液样本，将其静置后离心(4 ℃，1 000 g，15 min)，取上清液，于-80 ℃冰箱保存，用于测定游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)、总胆固醇(total cholesterol，TC)、甘油三酯(triglyceride，TG)及胰岛素水平。

小鼠胰岛素(江苏酶免实业有限公司)和FFA(江苏酶免实业有限公司)酶联免疫吸附试验(enzyme linked immunosorbent assay，ELISA)试剂盒分别用于测定血清胰岛素和FFA水平，按照试剂盒方案进行检测。胰岛素抵抗指数(homeostasis model assessment of insulin resistance，HOMA-IR)=空腹血糖(fasting plasma glucose，FPG)×空腹胰岛素(fasting insulin，FINS)/22.5。小鼠血清中TC及TG使用全自动生化分析仪(规格型号：Indiko，美国赛默飞世尔科技有限公司)进行分析。

1.6 转录组分析

在24周龄时，处死小鼠。无菌条件下采集米色、白色及棕色脂肪组织，立即置于液氮中速冻，并于-80 ℃保存。HFD-SG组包含3种脂肪组织：米色(Si)、白色(ST)、棕色(Se)；HFD-SHAM组同样包含3种脂肪组织：米色(SHi)、白色(SHT)、棕色(SHe)，共计6个组织样本。

采用TIANGEN RNAprep Pure试剂盒提取总RNA，经NanoDrop 2000及Agilent 2100生物分析仪进行质控(RNA完整性指数≥8.0)。使用NEBNext® Ultra^TM RNA Library Prep Kit构建文库，在Illumina NovaSeq 6000平台进行双端150 bp(PE150)测序。

原始测序数据使用Fastp软件进行质控，过滤低质量数据，随后采用支持分裂读段比对的HISAT2软件将RNA测序数据比对至参考基因组。在差异表达分析前，整合米色脂肪(Si/SHi)、白色脂肪(ST/SHT)及棕色脂肪(Se/SHe)3组组织的转录组数据，进行合并分析。以原始读段计数表为输入文件，对于具有生物学重复的样本，使用DESeq2软件进行基因差异表达分析，差异基因的筛选标准为调整后P值(adjusted P value，P_adjust)<0.05且|log₂倍数变化(fold change，FC)|>0.5。采用clusterProfiler软件进行基因本体(Gene Ontology，GO)功能富集分析及京都基因和基因组数据库(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG)通路富集分析。

1.7 代谢组分析

为保证与转录组样本的可比性，代谢组分析采用与上述转录组分析完全一致的分组方案(Si、ST、Se、SHi、SHT、SHe，共计6个组织样本)。

样本在4 ℃缓慢解冻后，将适量样本加入预冷甲醇/乙腈/水溶液(2꞉2꞉1，v/v)，涡旋混合，低温超声30 min，-20 ℃静置10 min，4 ℃条件下以14 000 g离心20 min。取上清真空干燥，质谱分析时加入100 μL乙腈水溶液(乙腈꞉水=1꞉1，v/v)复溶，涡旋后4 ℃条件下以14 000 g离心15 min，取上清液，用于液相色谱-质谱法(liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS)分析。

采用超高效液相色谱(UPLC HSS T3柱，1.8 μm，2.1 mm×100.0 mm)耦合高分辨质谱仪分别在正、负离子模式下进行代谢物分离与检测。流动相为水(含0.1%甲酸)和乙腈，梯度洗脱；质谱全扫描范围设为m/z 70~1 050，分辨率为120 000。

原始数据经Progenesis QI软件进行峰提取、保留时间校正、峰对齐及归一化处理，并基于HMDB、KEGG等数据库进行代谢物鉴定。预处理后的数据矩阵导入SIMCA软件(version 16.0)进行多变量统计分析：首先，进行无监督的主成分分析(principal component analysis，PCA)，观察样本自然聚集情况及离群值；然后，使用有监督的偏最小二乘判别分析(partial least squares discriminant analysis，PLS-DA)和正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA)以强化组间差异判别，并筛选差异代谢物。模型质量通过R²X、R²Y、Q²等指标及200次置换检验予以验证。R²X和R²Y分别表示模型对代谢物数据(X变量)和分组信息(Y变量)的解释率，其值越接近1，表明模型对原始数据的拟合程度及对分组的判别能力越可靠。当Q²值超过0.5时，表明模型具有较高稳定性；处于0.3至0.5区间，则说明稳定性尚可；低于0.3，则提示可靠性不足。差异代谢物的筛选标准为：变量重要性投影(variable importance in projection，VIP)>1.0，且P<0.05。

在代谢组学分析中，综合采用PCA、PLS-DA和OPLS-DA，形成优势互补。在无监督数据探索中应用PCA，能够揭示数据的整体结构特征及异常样本点。PLS-DA以有监督方式增强组间差异识别度，并实现变量初步筛选功能。基于判别模型的构建，能够从数据集中提取与分组相关的差异物质。OPLS-DA通过分离与分类无关的变异，提高了模型解析效能。OPLS-DA得分图包含2种主成分：预测主成分t[1](反映组间差异)和正交主成分t[2](反映组内变异)。

1.8 统计学处理

使用GraphPad Prism10.4.2软件对数据进行统计学分析及图形绘制。数据用均数±标准差表示。计算IPGTT和IPITT的曲线下面积(area under curve，AUC)，并对结果进行分析。体重、摄食量及血糖水平通过重复测量双因素方差分析进行分析。胰岛素、HOMA-IR、FFA、TC及TG的组间比较采用单因素方差分析，并使用Tukey多重比较检验，P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 减重手术可改善肥胖小鼠的体重并降低其摄食量

在14周龄时，HFD组与CTL组小鼠之间的体重差异开始具有统计学意义(P<0.01)，HFD组小鼠体重显著升高，直至20周龄(图1A)；HFD组小鼠的摄食量也显著高于CTL组(P<0.01)，直至20周龄(图1B)。

在20周龄时，术后HFD-SHAM组8只均存活，HFD-SG组存活6只，2只因术后肠梗阻死亡。术后，HFD-SG组小鼠体重显著降低，进食量显著降低(21周龄时的摄食量急剧下降可能是术后应激导致)；HFD-SHAM组与HFD-HFD组间体重及摄食量差异无统计学意义，HFD-SHAM组、HFD-HFD组与HFD-SG组和CTL组差异均有统计学意义(均P<0.01，图1C、1D)。这表明减重手术可显著改善体重，限制摄食。

2.2 减重手术可改善肥胖小鼠的葡萄糖耐量及胰岛素敏感性

20周龄(术前)的IPGTT结果(图2A)显示，15 min时血糖组间差异最为显著。AUC分析(图2B)结果显示，HFD组的AUC显著大于CTL组(P<0.001)。20周龄(术前)的IPITT结果见图2C，其AUC分析结果(图2D)显示，HFD组AUC显著大于CTL组(P<0.001)。结果表明，肥胖小鼠存在葡萄糖耐量受损及胰岛素抵抗增加。

24周龄(术后4周)的IPGTT及IPITT结果(图2E、2G)及其AUC分析结果(图2F、2H)显示，HFD-HFD组与HFD-SHAM组之间IPGTT与IPITT的AUC差异，以及HFD-SG组与CTL组之间IPGTT与IPITT的AUC差异均无统计学意义(均P>0.05)，HFD-HFD组与HFD-SHAM组的AUC均高于HFD-SG组与CTL组，差异均有统计学意义(均P<0.05)。HFD-SG组FINS含量降低，与CTL组比较差异无统计学意义，但均显著低于HFD-HFD和HFD-SHAM组(均P<0.001，图2I)，HOMA-IR指数组间比较结果与FINS一致(图2J)。结果表明，减重手术可以改善肥胖小鼠葡萄糖耐量，使胰岛素抵抗减弱，胰岛素敏感性升高。

2.3 减重手术可改善肥胖小鼠血脂水平

24周龄(术后4周)时，HFD-SG组的FFA(图3A)、TC(图3B)及TG(图3C)水平均显著降低，与CTL组相近，且均显著低于HFD-HFD组和HFD-SHAM组(均P<0.001)。HFD-HFD组与HFD-SHAM组之间各指标的差异均无统计学意义。结果表明，HFD-SG组小鼠的血脂谱得到显著改善，提示减重手术可改善肥胖小鼠的脂质代谢。

2.4 减重手术后脂肪组织的转录组分析

对HFD-SG组与HFD-SHAM组的米色、白色、棕色脂肪组织进行差异表达基因分析(图4A)，共鉴定出763个差异表达基因(384个上调基因，379个下调基因)。DESeq2分析提示这些基因与减重手术相关。GO功能富集分析结果(图4B)显示，基因主要涉及胆固醇合成与代谢；KEGG通路富集分析(图4C)富集到类固醇生物合成、AMP活化的蛋白质激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)信号通路及磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B(phosphoinositide 3-kinase-protein kinase B，PI3K-Akt)信号通路。

2.5 减重手术后脂肪组织的代谢组分析结果

通过正负离子模式合并，共鉴定出1 110种代谢物。HFD-SG组与HFD-SHAM组样本的总体分布趋势及组间差异度如图5A所示，通过7次循环交叉验证获得的模型参数见表1。HFD-SG组与HFD-SHAM组样本呈现明显区分效果(图5B)。表1列出了经7次验证获得的模型评价指标(R²Y与Q²)。表1中Q²>0.5证实当前模型稳定可靠。为防止有监督建模过程中出现过拟合现象，采用置换检验对模型有效性进行验证。PLS-DA的置换检验结果(图5D)显示，随机模型的R²与Q²值随置换保留度降低而呈递减趋势，表明原始模型未出现过度拟合，稳健性良好。HFD-SG组与HFD-SHAM组样本点在t[1]轴上形成显著分离的聚类趋势(图5C)，证明了2组间代谢谱的整体差异。经7次循环交叉验证获得OPLS-DA评价参数(表1)。OPLS-DA的置换检验结果(图5E)显示，随机模型的R²与Q²值随置换保留度降低而递减，进一步确认原始模型稳健性良好且无过拟合现象。上述多维统计分析组合策略，增强了分析结果的可靠性。以VIP>1且P<0.05为标准，筛选出16个差异代谢物(图5F)。其在3种脂肪组织中的表达情况见图5G。MetaboAnalyst富集分析(图5H)显示主要涉及抗坏血酸与醛糖二酸代谢、叶酸介导的一碳代谢等通路。

2.6 减重手术后脂肪组织的转录组和代谢组联合分析结果

对代谢组与转录组数据进行联合分析，发现转录组中的类固醇生物合成、叶酸介导的一碳代谢通路与代谢组中的类固醇激素生物合成、叶酸介导的一碳代谢通路存在关联(图6A)。图6B和图6C分别展示了转录组中类固醇生物合成通路及叶酸介导的一碳代谢通路的基因表达情况。

在类固醇生物合成通路中，LSS、NsdhL、DHCR24、Hsd17b7、MSMO1、SQLE、CYP51共7个基因在HFD-SG组的3种脂肪组织中整体呈上调趋势，在HFD-SHAM组中呈下调趋势。在叶酸介导的一碳代谢通路中，Aldh1l2、GNMT 2个基因仅在HFD-SHAM组的米色脂肪组织中上调；TYMS、Sardh 2个基因在SG组的米色及白色脂肪组织中上调。

将上述2条通路的基因与通路中发生显著差异的代谢物进行关联分析(图6D、6E)。在类固醇生物合成通路中，相关基因在HFD-SG组表达上调，而代谢物5-雄烯二醇在HFD-SG组下调，趋势相反。在叶酸介导的一碳代谢通路中，部分相关基因在HFD-SG组表达上调，代谢物脱氧胸苷-5’-单磷酸(deoxythymidine 5’-phosphate，dTMP)在HFD-SG组上调，两者趋势基本一致。

3 讨 论

减重手术是治疗肥胖及其相关代谢疾病的有效手段。本研究通过对高脂饮食诱导的肥胖小鼠实施SG，证实该手术可显著降低小鼠体重及摄食量，这一结果与既往研究^[9]一致。术后IPGTT及IPITT结果表明，减重手术可改善葡萄糖耐量，减轻胰岛素抵抗。已有研究^[9]显示，SG可恢复肥胖人类及啮齿动物的代谢稳态，并使胰岛素敏感性与胰岛素水平恢复正常。

脂肪酸作为代谢底物对细胞能量代谢至关重要，但过量脂肪酸可导致有毒脂质代谢产物蓄积，引发脂毒性。当脂肪酸从脂肪细胞溢出并进入非脂肪组织时，可诱发炎症反应(如非酒精性脂肪性肝病)及胰岛素抵抗^[10]。本研究和既往研究^[11]均发现减重手术后FFA及血脂水平显著降低，尤其是低密度脂蛋白胆固醇与TG水平^[12]，提示SG对脂质代谢具有有益调节作用。

基于减重手术对脂质代谢的改善效应，本研究对脂肪组织进行转录组与代谢组联合分析。结果显示，转录组中的类固醇生物合成、叶酸介导的一碳代谢通路与代谢组中的类固醇激素生物合成、叶酸介导的一碳代谢通路存在关联，提示这些通路可能参与介导减重手术对脂质代谢的调控作用。

类固醇激素生物合成通路与肥胖及脂质代谢密切相关。维生素D作为一种类固醇激素，在脂肪细胞代谢及肥胖进展中发挥重要作用。研究^[13]表明，维生素D缺乏可对脂肪组织扩张、免疫细胞浸润及炎症状态产生不良影响；SG后肥胖小鼠维持正常维生素D水平有助于改善代谢紊乱^[14]。

本研究中，该通路的多个基因在减重术后表达发生显著改变。其中，LSS表达水平上调。羊毛甾醇合酶(lanosterol synthase，LSS)是重要的抗动脉粥样硬化因子，可作为防治动脉粥样硬化的潜在干预靶点^[15]。CYP51表达水平亦上调。在高脂饮食诱导的非酒精性脂肪性肝病模型小鼠中，CYP51表达降低^[16]。而一项药物干预肥胖大鼠的研究^[17]显示，上调类固醇激素生物合成通路(伴CYP51表达水平上调)可改善糖脂代谢并保护肝脏，这与本研究中减重手术后CYP51表达上调的结果一致。MSMO1与Nsdhl被认为发挥协同作用，MSMO1过表达可抑制3T3-L1细胞分化并下调成脂标志基因^[18]。角鲨烯环氧化酶(squalene epoxidase，SQLE)作为类固醇生物合成的限速酶，可促进肝细胞脂质蓄积^[18]。

值得注意的是，Chen等^[19]对非酒精性脂肪性肝炎模型小鼠进行减重手术，术后8周检测发现HFD+SG组肝脏SQLE表达较HFD+假手术组降低。而本研究于术后4周检测脂肪组织中SQLE的表达情况，结果显示HFD-SG组SQLE的表达水平高于HFD-SHAM组。这一差异可能源于以下原因：其一，术后代谢重塑需一定时间，短期内变化规律可能不同；其二，组织特异性差异，SQLE在不同组织中的功能可能存在差异，尚需进一步验证。此外，本研究中类固醇激素生物合成通路的多个基因整体上调，而代谢物5-雄烯二醇水平下降，两者趋势相反。这提示减重手术后机体代谢状态发生了系统性重塑，基因表达上调反映了代谢潜能与调控方向的改变，而代谢物实际浓度受通路流量重分配、下游反应速率及组织间协同作用的综合调节，代谢资源被优先用于支持脂肪组织功能改善及全身代谢稳态重建。后续研究需在不同脂肪组织中进一步验证该通路相关基因表达及代谢物变化，以阐明其时空动态规律。

叶酸介导的一碳代谢是由叶酸辅助因子介导的普遍代谢过程，参与多种生物学功能。该通路在癌症领域已得到广泛研究，因其在肿瘤中常呈异常活化状态^[20]。本研究发现，减重手术后该通路发生显著改变，Aldh1l2与GNMT在手术组脂肪组织中表达下调，而TYMS与Sardh表达上调，同时代谢物dTMP水平升高，基因与代谢物变化趋势一致。上述结果首次将一碳代谢与减重手术的代谢改善效应联系起来，为后续研究提供了新的方向。然而，该通路在减重手术中的具体生理功能及分子机制尚需进一步验证。

综上所述，本研究通过动物模型证实，SG可显著改善高脂饮食诱导的肥胖小鼠糖脂代谢紊乱。联合转录组与代谢组分析进一步揭示，类固醇激素生物合成及叶酸介导的一碳代谢通路及相关基因表达变化，参与了减重手术对脂肪组织脂质代谢的调节。这些发现加深了我们对减重手术改善脂肪代谢分子机制的理解。

参考文献

[1] GBD 2021 Adult BMI Collaborators. Global, regional, and national prevalence of adult overweight and obesity, 1990-2021, with forecasts to 2050: a forecasting study for the Global Burden of Disease Study 2021[J]. Lancet, 2025, 405(10481): 813-838.

[2] Madsbad S, Dirksen C, Holst JJ. Mechanisms of changes in glucose metabolism and bodyweight after bariatric surgery[J]. Lancet Diabetes Endocrinol, 2014, 2(2): 152-164.

[3] Wiggins T, Guidozzi N, Welbourn R, et al. Association of bariatric surgery with all-cause mortality and incidence of obesity-related disease at a population level: a systematic review and meta-analysis[J/OL]. PLoS Med, 2020, 17(7): e1003206 [2025-10-01].

[4] 苏志红, 朱利勇, 高祥, 等. 高胰岛素-正葡萄糖钳夹实验评价Roux-en-Y胃旁路术对2型糖尿病患者胰岛素抵抗的改善作用[J]. 中南大学学报(医学版), 2021, 46(6): 609-614.

[5] SU Zhihong, ZHU Liyong, GAO Xiang, et al. Effect of laparoscopic Roux-en-Y gastric bypass on improvement of insulin resistance in Type 2 diabetic patients evaluated by hyperinsulinemic-euglycemic clamp[J]. Journal of Central South University (Medical Science), 2021, 46(6): 609-614.

[6] Angrisani L, Santonicola A, Iovino P, et al. IFSO worldwide survey 2020-2021: current trends for bariatric and metabolic procedures[J]. Obes Surg, 2024, 34(4): 1075-1085.

[7] Huang RH, Ding XS, Fu HB, et al. Potential mechanisms of sleeve gastrectomy for reducing weight and improving metabolism in patients with obesity[J]. Surg Obes Relat Dis, 2019, 15(10): 1861-1871.

[8] Liu CX, Xu Q, Dong SH, et al. New mechanistic insights of anti-obesity by sleeve gastrectomy-altered gut microbiota and lipid metabolism[J]. Front Endocrinol, 2024, 15: 1338147.

[9] Hu JY, Wang MF, Zhou Y, et al. Bariatric surgery in rats upregulates FSP27 expression in fat tissue to affect fat hydrolysis and metabolism[J]. Biomed Res Int, 2019, 2019: 6415732.

[10] Soares GM, Lopes LES, Balbo SL, et al. Sleeve gastrectomy-induced weight loss increases insulin clearance in obese mice[J]. Int J Mol Sci, 2023, 24(2): 1729.

[11] Cho CH, Patel S, Rajbhandari P. Adipose tissue lipid metabolism: lipolysis[J]. Curr Opin Genet Dev, 2023, 83: 102114.

[12] Hierons SJ, Abbas K, Sobczak AIS, et al. Changes in plasma free fatty acids in obese patients before and after bariatric surgery highlight alterations in lipid metabolism[J]. Sci Rep, 2022, 12(1): 15337.

[13] Heffron SP, Parikh A, Volodarskiy A, et al. Changes in lipid profile of obese patients following contemporary bariatric surgery: a meta-analysis[J]. Am J Med, 2016, 129(9): 952-959.

[14] Chang E, Kim Y. Vitamin D insufficiency exacerbates adipose tissue macrophage infiltration and decreases AMPK/SIRT1 activity in obese rats[J]. Nutrients, 2017, 9(4): 338.

[15] Zhang J, Feng M, Pan LS, et al. Effects of vitamin D deficiency on the improvement of metabolic disorders in obese mice after vertical sleeve gastrectomy[J]. Sci Rep, 2021, 11(1): 6036.

[16] Pu LY, Meng QY, Li S, et al. Laminar shear stress alleviates monocyte adhesion and atherosclerosis development via miR-29b-3p/CX3CL1 axis regulation[J/OL]. J Cell Sci, 2022, 135(14): jcs259696[2025-10-01].

[17] Wang CH, Tao QM, Wang XH, et al. Impact of high-fat diet on liver genes expression profiles in mice model of nonalcoholic fatty liver disease[J]. Environ Toxicol Pharmacol, 2016, 45: 52-62.

[18] Li Y, Wang C, Jin Y, et al. Huang-Qi San improves glucose and lipid metabolism and exerts protective effects against hepatic steatosis in high fat diet-fed rats[J]. Biomed Pharmacother, 2020, 126: 109734.

[19] Xin Y, Li C, Guo Y, et al. RNA-Seq analysis reveals a negative role of MSMO1 with a synergized NSDHL expression during adipogenesis of 3T3-L1[J]. Biosci Biotechnol Biochem, 2019, 83(4): 641-652.

[20] Chen X, Deng SZ, Sun Y, et al. Key genes involved in nonalcoholic steatohepatitis improvement after bariatric surgery[J]. Front Endocrinol, 2024, 15: 1338889.

[21] Ducker GS, Rabinowitz JD. One-carbon metabolism in health and disease[J]. Cell Metab, 2017, 25(1): 27-42.

基金资助

内蒙古自治区自然科学基金(2023MS08048┫。This work was supported by the Natural Science Foundation)

内蒙古自治区自然科学基金(China ┣2023MS08048)

RIGHTS & PERMISSIONS

开放获取：本文遵循知识共享许可协议，允许第三方用户按照署名-非商业性使用-禁止演绎4.0(CC BY-NC-ND 4.0)的方式，在任何媒介以任何形式复制、传播本作品(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。