间歇性禁食能有效减重以及改善肥胖的深层原因在肠道菌群！

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健康的肠道微生物组（即肠道菌群）是一个相对稳定的生态系统，很多科学家都称其为人体的“第二大脑”。但抗生素、感染、饮食或生活方式的重大改变，比如间歇性禁食，都可能导致这一生态系统发生短暂或持久的变化。

近年来，禁食已成了科学界的新宠。越来越多的研究表明，禁食有很多的健康益处，包括改善代谢健康，预防或延缓年龄相关的疾病，甚至可以减缓肿瘤的生长。

那么，禁食会对肠道菌群有什么样的影响呢？

近日，来自深圳和哥本哈根的科学家们在Nature出版集团旗下刊物《NPJ Biofilms Microbiomes》发表了题为“Intermittent fasting modulates the intestinal microbiota and improves obesity and host energy metabolism”的研究论文，明确了间歇性禁食（IF）干预后参与者的体重减轻，肥胖相关参数得到显著改善。接着，研究者采用鸟枪法宏基因组测序发现了肠道益生菌和碳水化合物降解菌显著富集，即IF干预增加了碳水化合物活性酶的丰富性和多样性。

研究过程简单且容易复制，快来学起来吧！


一、研究背景

随着经济的发展和饮食生活方式的传播，肥胖已成为一个世界性问题。作为一种禁食策略，IF有望成为对抗肥胖的一种选择。与传统禁食计划相比，采用IF的方案后的平均体重和胰岛素抵抗减轻更多。

肠道菌群在肥胖和相关疾病中起着重要作用，通过刺激营养物质的吸收和调节宿主代谢来预防或促进肥胖。食物摄入的类型和时间，会改变肠道菌群的昼夜节律。

已有研究证实，IF可根据16SrRNA基因扩增子测序调节肠道菌群。但IF引起的人类肠道菌群变化尚未得到很好的表征，而且这种变化如何促进体重减轻的细节仍不清楚。

二、研究方法

1、参与者招募

共计81人符合标准并参与了整个试验，72名参与者捐赠了所需样本。

纳入标准：(1)18-55岁；(2)18kg/m2 <BMI（体重指数）<30.0kg/m2。

排除标准：(1)在过去4周内接受过抗生素治疗；(2)高血压、糖尿病或其他代谢疾病病史；(3)怀孕、肠胃手术史或全身性疾病；(4)使用皮质类固醇药物、β-受体阻滞剂或其他可能影响结果的药物。

2、信息收集和生化检测

IF干预为期三周，能量摄入设定在500-600kCal，均由代餐粉和蛋白棒提供。参与者被要求留在疗养院，在禁食期间无法获得额外的食物。每周五天安排代餐粉作为晚餐主食，其余时间提供正常饮食，参与者可随意进食。在干预开始前一天和干预的最后一天进行血液生化分析和粪便样本采集。

3、粪便DNA提取和鸟枪法宏基因组测序

在IF干预前后共收集了175个参与者的粪便样本。提取DNA在中国国家基因库（CNGB）中进行定量检测，每个样品的200ng DNA剪切成长度约为300 bp的片段进行下游反应，接着在CNGB的DIPSEQ-T1（华大基因研究院）上对文库进行测序。175个粪便样本中获得的宏基因组测序数据用于从头组装和分箱。

4、组装和重叠群分箱

使用MEGAHIT（宏基因组组装工具）单独组装样本的清晰读数，使用VAMB（变体自动编码器）进行宏基因组分箱。dRep程序对宏基因组的箱进行去复制，以获得非冗余MAG（宏基因组组装基因组）目录。使用metaWRAP（宏基因组数据分析软件包）进行分析，以计算每个样本中MAG的丰度。

5、MAG的分类注释

使用基因组分类数据库工具包（GTDB-TkRelease95）分类注释。与已知种属的任何基因组相比，平均核苷酸同一性(ANI)< 95%的分箱被认为是未知种属基因组分箱(uSGB)。

6、MAG的系统发育分析

MAG的基因预测和基因组注释分别使用Prokka（原核生物的基因组自动注释工具）和metaWRAP的bins注释模块进行。2934个代表性MAG的系统发育树由PhyloPhlAn（分析菌群之间进化关系软件）进一步构建，以实现可视化。

7、菌群组成变化分析统计

来自72名参与者的144份粪便样本数据被纳入分析。使用vegan包执行置换多元方差分析(PERMANOVA)。统计验证体检结果、血液生化参数和MAG相对丰度的变化。

8、菌群潜能分析比较

粪便宏基因组测序读数被映射到IGC（肠型样本），并使用cOMG工具包计算样本中基因的相对丰度。IGC的原始KO注释用于注释配置文件。调整分析KO相对丰度的变化并计算每个KEGG通路以评估功能通路的整体变化。

9、全基因组关联研究

分析肠道菌群与临床参数之间的关联。身体检查和血液生化参数的数值结果用作响应变量，而干预前后富集的MAG或KO的log10转换相对丰度用作预测变量矩阵。使用ILAMM包执行回归。

三、研究结果

1、IF干预后体重减轻和临床改善

72名成年中国志愿者在为期三周的干预研究后，结果显示：

肥胖相关参数的显著改善，包括BMI、体重和AI（动脉粥样硬化指数）——BMI平均下降1.32，体重平均下降3.67kg，而AI平均下降1.53。

不同BMI水平的参与者 在干预后体重平均减轻2.82公斤（正常）、3.84公斤（超重）和4.82公斤（肥胖），以及AI也分别下降了1.23、1.50和2.10。

2、IF干预导致肠道菌群分类组成发生显著变化

72对匹配的样本进行鸟枪法宏基因组测序。通过从头组装和装箱，总共回收了2934个MAG，包括241个已知属和538个已知种。比较干预前后采集的样本，共发现201个MAG的丰度不同，对能量代谢和肥胖发展产生有益影响的种属菌群丰度增加。

3、IF干预后富集的菌群种属含有丰富的碳水化合物活性酶(CAZymes)

通过在种属水平上进行分类注释，探究147个MAG中碳水化合物活性酶的多样性和干预前后采集的样本之间存在丰度差异。结果发现，在IF干预后表现出更高丰度的MAG中有更多类型和更高拷贝数的碳水化合物活性酶编码基因。这些基因中的大多数被注释为糖苷水解酶(GHs)和糖基转移酶(GTs)，表明肠道菌群利用多种碳源的能力得到了增强。

4、IF诱导的肠道菌群变化与宿主代谢和肥胖的临床参数相关

共计发现136个MAG与至少一个临床参数显著相关，包括B.thetaiotaomicron（多形拟杆菌）的8个MAGs和P.distasonis（狄氏副拟杆菌）的17个MAGs，与AI呈负相关，其中84个与血清低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）也呈负相关。与AI负相关的86个MAG中的67个在IF干预后得到了丰富，确定了MAG的相对丰度与宿主临床测量值之间的相关性。

5、IF干预增加了肠道菌群合成琥珀酸的潜能

待分析数据被映射到已发布的肠道菌群基因目录以计算功能注释基因的丰度。使用调整后的阈值 ，发现25个KEGG直系同源物(KO)在IF干预后显著富集，而16个KO的相对丰度下降。进一步计算分析功能通路的富集，发现碳代谢、柠檬酸循环和磷酸戊糖途径在干预后显著增强，这可能会导致更高的碳水化合物转化和肠道菌群产生的短链脂肪酸(SCFA)增加。

共计确定了220个KO与至少一个临床参数相关。三种KO的相对丰度，即K00844（己糖激酶）、K06859（葡萄糖-6-磷酸异构酶）和K15037（生物素羧基载体蛋白）在琥珀酸的合成中发挥作用；K03146（半胱氨酸依赖性二磷酸腺苷噻唑合酶），与硫胺素合成有关，以及与胆汁分泌有关的K05681干预后显著升高，但与高脂血症和动脉粥样硬化性心血管疾病（ASCVD）密切相关的5个参数呈负相关。

四、总结

72名BMI范围广泛的中国志愿者参加了为期三周的IF计划，在此期间，无论初始人体测量和肠道菌群状态如何，平均体重减轻3.67公斤，且临床参数得到改善。在干预前后收集粪便样本并进行鸟枪法宏基因组测序，从头组装产生了2934 MAG。结果分析显示，干预后肠道益生菌和碳水化合物降解菌显著富集，它们的相对丰度与肥胖和ASCVD相关参数呈负相关。干预后富集的MAG显示，碳水化合物活性酶的高度丰富性和多样性以及琥珀酸合成相关基因的相对丰度增加。