Mikrobiom jelitowy myszy ulega stresowi w ciągu 24 godzin, gdy są karmione dietą wysokotłuszczową

W niedawnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Raporty komórkowenaukowcy z Cincinnati, USA, ocenili wpływ zmiany diety na dietę wysokotłuszczową (HFD) na jelita.

Znacząca zmiana diety w czasie może wpływać na metabolizm i fizjologię. W Stanach Zjednoczonych brak równowagi kalorycznej może być czynnikiem przyczyniającym się do otyłości. Od 1999 do 2018 roku liczba osób otyłych wzrosła z 30,5% do 42,4%, podczas gdy choroby metaboliczne, takie jak dyslipidemia i cukrzyca, wzrosły z 25,3% do 34,2%. Wiadomo, że długoterminowe zmiany w diecie powodują otyłość i choroby metaboliczne, ale nie jest jasne, jak szybko zmiana diety może spowodować zmiany w organizmie.

pobyt: Zmiana diety na wysokotłuszczową prowadzi do szybkiej adaptacji jelita. Źródło zdjęcia: Alexei Logvinovich/Shutterstock

o studiowaniu

W tym badaniu naukowcy ocenili odpowiedź komórek nabłonka jelitowego na HFD za pomocą pomiarów fizjologicznych i transkryptomów jednokomórkowych.

Zespół użył kalorymetru pośredniego do skanowania dorosłych myszy typu dzikiego karmionych normalną karmą lub przełączonych na HFD na siedem dni i ocenił efekt. Po pierwsze, ilość zużytego tlenu (V._O2) wraz z wygaśnięciem dwutlenku węgla (V._{Dwutlenek węgla}) do obliczenia współczynnika wymiany oddechowej (RER), który pokazał główne źródło paliwa metabolizowane przez organizm. Zespół zmierzył również całkowitą energię potrzebną do utrzymania homeostazy, zwaną wydatkiem energetycznym (EE).

Zespół ocenił również, czy odpowiedź adaptacyjna w proksymalnej części jelita na ostrą HFD spowodowała te zmiany metaboliczne całego ciała. Zbadano proliferację jelit wraz z głębokością krypt i wysokością kosmków po jednym, trzech lub siedmiu dniach na HFD. Sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek (scRNA-seq) przeprowadzono również na komórkach nabłonka jelita czczego i dwunastnicy dorosłych myszy we wszystkich punktach czasowych. Po sprawdzeniu i przefiltrowaniu jakości komórek, zespół połączył zestawy danych komórek uzyskanych od myszy, które spożywały normalną żywność i myszy, które były karmione HFD przez jeden, trzy lub siedem dni. Jako zestaw danych odniesienia zastosowano normalne komórki pokarmowe.

Zespół dalej analizował, w jaki sposób każda grupa komórek reagowała na HFD, stosując różnicową analizę ekspresji genów. Sygnatura transkrypcyjna związana z metabolizmem glutaminianu/glutaminy została również oceniona przy użyciu genów z bazy danych sygnatur molekularnych (MSigDB).

konsekwencje

W pierwszym dniu karmienia HFD poziom RER obniżył się z około 0,9 do 0,8 i różnice te utrzymywały się w czasie. Pierwszego dnia efektywność energetyczna wzrosła z około 0,2 do 0,5 kcal/min do około 0,4 do 0,6 kcal/min. W ciągu siedmiu dni nie było znaczących różnic w ilości spożywanej wody ani ruchach ambulatoryjnych. Myszy karmione HFD przybierały na wadze, jednocześnie wykazując większy wydatek energetyczny niż pierwszego dnia. Po jednym dniu jedzenia HFD wyniki te pokazały, że metabolizm szczurów zmienił się w całym ciele, a także mogły wystąpić zmiany w ich jelitach.

Nastąpił wzrost włączenia EdU (5-etynylo-2′-dezoksyurydyny) 1 dzień po spożyciu HFD. Nie zmieniła się natomiast głębokość krypt jelitowych ani wysokość kosmków. Zespół ocenił również wszelkie zmiany w śmierci komórek jelitowych za pomocą barwienia rozszczepioną kaspazą-3 w połączeniu z barwieniem transferazy deoksynukleotydylo-dezoksyurydynotrifosforanu (TUNEL) i nie znalazł różnic w żadnym ze wskazanych punktów czasowych. Wyniki te wykazały, że HFD wywołało odpowiedź proliferacyjną w ciągu 1 dnia, ale nie zmieniło to wielkości powierzchni jelita w ciągu 1 tygodnia. Ponadto zidentyfikowano wszystkie oczekiwane typy komórek, takie jak komórki EEC, enterocyty, komórki progenitorowe enterocytów (EP), kubki, komórki Panetha, komórki progenitorowe wydzielnicze (SP), kępki i komórki strefy amplifikacji łodygi/wczesnego tranzytu (TA).

Analizę zmian transkrypcyjnych indukowanych przez HFD przeprowadzono przy użyciu warunków ontologii procesu biologicznego (GO-Terms), które wykazały, że geny odpowiedzialne za szlaki metabolizmu kwasów tłuszczowych miały wyższy poziom ekspresji w kilku typach komórek już po jednym dniu HFD. Wskazuje to, że nabłonek jelitowy odszedł od normalnie stosowanego metabolizmu glutaminy/glutaminianu. Zaobserwowano również natychmiastową regulację w dół 1 dzień po HFD. Analiza wzbogacania zestawu genów (GSEA) wykazała, że ​​większość komórek nabłonkowych ma regulowane geny, które ułatwiają metabolizm kwasów tłuszczowych, na co wskazują znormalizowane wyniki wzbogacenia (NES). W szczególności NES związane z metabolizmem kwasów tłuszczowych wzrosły w jednym i trzech dniach HFD. Sugeruje to, że metabolizm organizmu szybko reaguje na nadmiar błyszczącej tkanki tłuszczowej. Po siedmiu dniach metabolizm kwasów tłuszczowych NES zmniejszył się, co wskazuje, że enterocyty przystosowały się do zmiany w HFD.

Po 1 dniu na HFD nastąpiła regulacja w górę genów związanych ze stresem dla wszystkich populacji komórek nabłonkowych. W oparciu o dane scRNA-seq, iPS / wczesna-TA, wraz z komórkami Panetha, mają tendencję do wykazywania dramatycznych zmian w ekspresji genów w odpowiedzi na stres komórkowy. Stwierdzono, że podzbiór łodygi / wczesnej łodygi TA reguluje geny białek szoku cieplnego i regulowane w górę geny odpowiedzi niezwiniętego białka (UPR) GSEA. Pokazało to, że komórki macierzyste/wczesne TA reagują natychmiast na HFD reakcją stresową.

Badanie to wykazało wielotorowe podejście do oceny reakcji zwierząt na zmiany diety poprzez ocenę metabolizmu całego ciała, funkcji tkanek, morfologii i transkrypcji pojedynczych komórek. Analizy funkcjonalne i transkrypcyjne wykazały, że wszystkie typy komórek nabłonka jelit zostały zmienione w ciągu 24 godzin. Ponadto w ciągu tygodnia nabłonek jelitowy został zmodyfikowany w celu zwiększenia wychwytu lipidów. Elastyczność ściany jelita mogła ewoluować w czasach niedoboru składników odżywczych, ale teraz można ją powiązać z otyłością, chorobami metabolicznymi i stanami zapalnymi w czasach nadmiaru składników odżywczych.