恒溫動物維持高而恒定的體溫對於其生存至關重要,而體溫的維持具有較高的能量代價,體溫調節是一個經典的生理學問題。甲狀腺激素是由甲狀腺細胞分泌,包括甲狀腺素(T4)和三碘甲狀腺原氨素(T3),T4經過碘甲腺原氨酸脫碘酶II(DIO2)脫碘後生成T3而起作用,甲狀腺激素能够提高能量代謝、促進生長發育並提高神經系統的興奮性。在人類,甲狀腺激素代謝紊亂會發展為甲亢(甲狀腺機能亢進)或甲减(甲狀腺機能减弱)疾病,其中遺傳、藥物、長期應激等是形成甲亢的主要因素,發病率高達10%左右,而且難以治療。關於甲狀腺激素調節代謝產熱的作用機制,已有研究認為主要通過中樞調控通路或外周直接作用於器官調節細胞的代謝過程,前期研究已發現腸道微生物能够調節宿主動物的能量代謝。一個重要的問題是,甲狀腺功能紊亂是否與腸道菌群失衡有關從而導致能量代謝和產熱的變化?對這一問題的解釋,不僅能够揭示恒溫動物的體溫調節機制,而且對於認識甲狀腺疾病的成因和治療方法提供科學依據。
2021年3月17日,中國科學院動物研究所王德華研究團隊在國際期刊Microbial Biotechnology上發表題為“Caecal microbial transplantation attenuates hyperthyroid-induced thermogenesis in Mongolian gerbils”的研究論文,發現了高甲狀腺激素(甲亢)引起的代謝升高是由於腸道菌群紊亂導致的,闡明了“甲狀腺—腸道菌群”軸對恒溫動物產熱和體溫的調節功能。
這是該研究組自發現腸道菌群介導聚群行為產熱的能量節省機制(Microbiome,2018),食糞行為通過維持微生物穩態調節宿主能量平衡、神經功能和認知行為(The ISME Journal,2020),進一步發現腸道菌群賦予恒溫動物對週期性溫度波動的代謝可塑性(mSystems,2020),以及“交感神經—腸道菌群”軸調控冷適應性產熱的機制(The ISME Journal,2019)等成果以來,在野生動物與其腸道微生物相互作用調控能量代謝和產熱適應研究領域又一新的發現。
在這項工作中,研究人員利用長爪沙鼠(Meriones unguiculatus)T4處理4周誘導甲亢模型,利用甲巰基咪唑藥物處理阻斷甲狀腺激素的合成誘導甲减模型。研究發現甲亢動物表現出較高的代謝率和體溫,甲减動物代謝率明顯降低;無論甲亢還是甲减動物,腸道菌群結構紊亂,甲亢動物腸道中螺旋杆菌屬(Helicobacter)、理研菌屬(Rikenella)相對比例升高,而有益菌如丁酸弧菌(Butyricimonas)和副擬杆菌(Parabacteroides)相對比例較低,相關分析顯示這些菌屬與甲狀腺素代謝密切相關;甲亢動物腸道菌群的代謝產物短鏈脂肪酸含量和總膽汁酸含量明顯降低。通過對甲亢動物移植正常動物來源的腸道菌群,能够促進肝臟中碘甲腺原氨酸脫碘酶II(DIO2)表達,提高T3和T4的代謝周轉速率,促進甲亢動物代謝率和體溫的恢復。
該研究闡明了“甲狀腺—腸道菌群”軸對恒溫動物產熱和體溫的調節作用,揭示了腸道菌群與宿主內分泌系統相互作用對體溫調節的重要生理意義,並且為甲亢疾病的治療提供可能的有效干預措施。中國科學院動物研究所農業蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室動物生理生態學研究組博士研究生Saeid Khakisahneh和副研究員張學英為共同第一作者,王德華研究員和張學英為共同通訊作者。該研究主要得到了國家自然科學基金專案(31770440、31772461和32090020)的資助。
文章連結:https://doi.org/10.1111/1751-7915.13793
圖“甲狀腺—腸道菌群”軸對長爪沙鼠代謝產熱和體溫調節的作用