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

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。

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