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論文ID

原名：The intestinal microbiota regulates body composition through NFIL3 and the circadian clock

譯名：腸道微生物群通過NFIL3和生物鐘調節(jié)機體組成

期刊：Science

IF：37.205

發(fā)表時間：2017年

通信作者：Lora V. Hooper

通信作者單位：The University of Texas Southwestern Medical Center

綜述內容

1. NFIL3在腸上皮細胞中的生理功能

NFIL3是一種轉錄因子，可在多種免疫細胞中表達，并可根據(jù)細胞類型調控免疫功能。研究發(fā)現(xiàn)小腸上皮細胞也表達NFIL3，并且無菌小鼠中NFIL3表達顯著降低（圖1A），提示上皮NFIL3可能調節(jié)響應于腸道微生物群的生理活性。正常膳食飼養(yǎng)的Nfil3^△IEC小鼠體重比Nfil3^fl/fl同窩小鼠輕（圖1B），高脂膳食（HFD）飼喂10周時，Nfil3^fl/fl和Nfil3^△IEC小鼠的體重均增加（圖1B），然而Nfil3^△IEC小鼠體重較低（圖1B），體脂百分比較低（圖1C）。Nfil3^△IEC小鼠的附睪脂肪墊重量較低（圖1D），并且免受血液甘油三酯升高（圖1E），肝臟脂肪堆積（圖1F），葡萄糖耐量降低（圖1D）和胰島素抵抗增加（圖1G）等現(xiàn)象。

結論：上皮細胞表達的NFIL3調節(jié)小鼠的脂質儲存和機體組成。同時，抗生素處理的Nfil3^fl/fl小鼠的脂肪減少和瘦體重增加，且與Nfil3^△IEC小鼠的機體組成沒有顯著差異（圖1H）。因此，HFD誘導的體脂累積同時需要NFIL3和微生物群。

圖 1 Nfil3^△IEC小鼠抵抗高脂誘導的肥胖

2．微生物群調控NFIL3表達的機制

Nfil3轉錄由生物鐘控制。研究發(fā)現(xiàn)在小腸上皮細胞群中，Nfil3轉錄豐度隨晝夜波動（圖2A）。野生型無菌小鼠和常規(guī)小鼠的對比研究發(fā)現(xiàn)，微生物群介導Nfil3的最大程度的表達，并且調節(jié)Nfil3轉錄節(jié)律性的幅度（圖2A）。Nfil3的蛋白質表達水平與轉錄水平趨勢一致（圖2B）。

晝夜節(jié)律轉錄阻遏物REV-ERBα直接調節(jié)Nfil3的表達。在腸上皮細胞中，Rev-erbα轉錄和蛋白質豐度也隨晝夜波動，且在無菌小鼠的轉錄和翻譯水平比常規(guī)小鼠的高（圖2C和D）。提示REV-ERBa調控Nfil3的晝夜表達，并且微生物群通過抑制Rev-erbα表達來誘導Nfil3表達。通過染色質免疫共沉淀（ChIP）發(fā)現(xiàn)，REV-ERBα直接結合于腸上皮細胞中的Nfil3啟動子（圖2E）。此外，抗生素處理的Rev-erbα?/?小鼠與常規(guī)野生型小鼠的Nfil3表達水平相似（圖2F）。

結論：微生物調節(jié)Nfil3表達依賴于REV-ERBα，微生物群通過抑制Rev-erbα表達提高Nfil3表達。

圖 2

3. DC-ILC3通路將微生物群信號傳遞至上皮細胞以調節(jié)Nfil3表達

腸上皮細胞通過Toll樣受體（TLRs）及MyD88來識別微生物群，調控關鍵基因的表達。研究發(fā)現(xiàn)，在Myd88^?/?小鼠中，上皮細胞Rev-erbα表達增加，Nfil3表達降低至無菌小鼠的表達水平（圖2G），表明微生物調節(jié)Rev-erbα-Nfil3 級聯(lián)信號需要MyD88。然而，CD11c⁺細胞群體（包括部分樹突狀細胞），而不是上皮細胞的Myd88顯著抑制Rev-erba表達和誘導Nfil3表達（圖2G）。并且用白喉毒素處理，選擇性消除CD11c+細胞導致Rev-erba表達增加，并且Nfil3表達減少（圖2H），表明微生物群誘導Nfil3表達需要DCs。

細菌激活DCs中的TLR-MyD88信號，并通過IL-23從DC傳遞到3型先天淋巴細胞（ILC3）。然后，ILC3通過IL-22向上皮細胞傳遞信號。研究表明，在缺乏所有已知的ILC亞型的ID2缺陷型小鼠（Id2^gfp/gfp）中，小腸上皮細胞Rev-erbα表達增加，Nfil3表達隨之降低（圖2H）。此外，缺乏Th17和ILC3的RORδγ缺陷小鼠（Rorc^gfp/gfp）的Rev-erbα和Nfil3的晝夜表達模式（圖2I和J）與無菌小鼠類似（圖2A和B）。用重組IL-23或IL-22處理Myd88^?/?小鼠可使上皮Rev-erbα和Nfil3表達恢復至野生型常規(guī)小鼠的水平（圖2K）。

結論：上皮下的DC-ILC3通路將微生物群信號傳遞至上皮細胞以調節(jié)Nfil3表達。

圖 2

4. 鑒定調節(jié)Rev-erbα和Nfil3表達的上皮細胞固有信號途徑

最近，研究表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）可以調節(jié)嚙齒動物的肝臟和腸道脂質和脂蛋白分泌。

轉錄因子STAT3是IL-22受體（IL-22R）下游的關鍵反應元件。腸上皮細胞的ChIP分析顯示，STAT3與Rev-erbα啟動子結合（圖3A和B）。無菌小鼠的上皮細胞中STAT3結合顯著降低（圖3A和B）。共轉染編碼STAT3的載體，其熒光素酶報告基因與Rev-erba啟動子融合，導致HEK-293T細胞中的熒光素酶活性降低（圖3C），并且STAT3主要活性成分的表達進一步抑制螢光素酶活性（圖3C）。因此，STAT3與Rev-erba啟動子結合并抑制其轉錄。

向腸道類器官培養(yǎng)模型中添加重組IL-22導致STAT3磷酸化（圖3D）。同時IL-22處理降低了Rev-erba的表達并且增加了Nfil3的表達（圖3E和F）。相反地，向類器官培養(yǎng)物中添加STAT3磷酸化抑制劑（Stattic）（22）時，重組IL-22不能使STAT3磷酸化（圖3D），并且Rev-erbα和Nfil3的表達水平與對照組相似（圖3E和F）。研究證明STAT3是Rev-erbα的轉錄抑制子。相比于Stat3^fl/fl同窩小鼠，上皮細胞特異性Stat3缺失小鼠（Stat3^△IEC）的腸上皮細胞Rev-erbα表達增加，Nfil3表達降低（圖3G和H）。

結論：NFIL3表達的晝夜節(jié)律是由生物鐘通過REV-ERBα產(chǎn)生的，而節(jié)律的振幅由微生物群通過STAT3微調。

圖 3 STAT3與Rev-erbα啟動子結合抑制其轉錄

5. 上皮細胞NFIL3調節(jié)脂肪儲存和機體組成的機制

小腸具有長時間儲存膳食脂質的能力。餐后，脂質作為細胞內CLDs和可能作為預先形成的脂蛋白顆粒，在腸道中停留。

Nfil3^fl/fl和Nfil3^△IEC小鼠上皮細胞的轉錄組鑒定了33個差異表達的轉錄本，并發(fā)現(xiàn)部分基因在Nfil3^fl/fl小鼠中的表達具有晝夜節(jié)律性（圖4A）。在Nfil3^△IEC小鼠中，生物鐘基因Bmal1（Arnt1），Per2和Nr1d1（Rev-erbα）依然保持節(jié)律表達（圖4A），表明其核心生物鐘機制保持完整。有17個轉錄本編碼在脂質攝取和代謝中起作用的蛋白質（圖4A），包括Cd36、Scd1、Cyp2e1和Fabp4。

通過qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn)，Cd36和Scd1的表達依賴于上皮細胞NFIL3和微生物群（圖4B）。Western blot分析顯示，在無菌小鼠和Nfil3^△IEC小鼠中CD36蛋白水平降低（圖4C）。此外，在Id2^gfp/gfp和Stat3^△IEC小鼠中，Cd36和Scd1的表達降低（圖4D和E）。同時，研究發(fā)現(xiàn)：Nfil3^fl/fl小鼠的腸上皮細胞含有豐富的脂質（圖4F）。相比之下，Nfil3^△IEC小鼠上皮細胞中脂質較少（圖4F）。此外，與Nfil3^fl/fl小鼠相比，Nfil3^△IEC小鼠的腸上皮細胞的脂質濃度也較低（圖4G），但糞便中的脂質濃度較高（圖4H）。

結論：微生物群調節(jié)NFIL3依賴性的脂質代謝程序是腸道上皮細胞固有途徑，且上皮細胞NFIL3調節(jié)上皮細胞的脂質吸收和輸出。

圖 4 上皮細胞NFIL3調節(jié)脂肪儲存和機體組成

實驗結論

本研究發(fā)現(xiàn)，NFIL3是微生物群，晝夜節(jié)律和宿主新陳代謝之間的重要分子鏈接。研究結果表明，微生物群通過NFIL3調節(jié)脂質攝取和儲存，從而闡明了腸道微生物群調節(jié)宿主代謝和機體組成的機制。此外，研究表明，ILC3-STAT3信號傳遞銜接了微生物群與上皮生物鐘，因此確定了微生物群與生物鐘相互作用的關鍵分子通路。這些結果可能為微生物與生物鐘相互作用的紊亂導致代謝疾病的機制提供更深入的了解。本研究闡明了晝夜節(jié)律紊亂（由于輪班工作或國際旅行引）與代謝疾?。òǚ逝郑悄虿『托难芗膊。┰黾拥南嚓P性。

點評

本研究的發(fā)現(xiàn)可能為治療代謝性疾病提供了新策略，例如靶向NFIL3，STAT3，微生物群或生物鐘。

本文由莫孞編譯，莫秋芬、江舜堯編輯。