2型糖尿病（T2D）是一种由多种遗传和环境因素引起的广泛存在的代谢性疾病。肠道微生物群与宿主之间的相互作用在饮食诱导的T2D发病机制中起着关键作用。高脂饮食（HFD）会导致肠道微生物群的紊乱，破坏肠-肝轴的稳态，并通过微生物代谢物影响肝脏的代谢功能，从而导致肝脏胰岛素抵抗和葡萄糖代谢异常。在肠道中，色氨酸是一种重要的芳香族氨基酸，其代谢途径与肠道微生物群的活动密切相关。色氨酸代谢的紊乱与T2D的发生有着重要联系。然而，尽管已有研究揭示了肠道微生物群在色氨酸代谢中的作用，但其具体机制仍不明确。
2024年8月，华东理工大学叶邦策/周英、浙江工业大学漆楠在Proc Natl Acad Sci U S A（IF=9.4）上发表题为“The microbiota-dependent tryptophan metabolite alleviates high-fat diet–induced insulin resistance through the hepatic AhR/TSC2/mTORC1 axis”的研究文章。通过对高脂饮食诱导的胰岛素抵抗小鼠模型的肠道微生物群和代谢组进行综合分析，揭示了肠道微生物群依赖的色氨酸代谢产物5-羟吲哚-3-乙酸（5-HIAA）通过激活肝脏AhR/TSC2/mTORC1信号通路缓解高脂饮食诱导的胰岛素抵抗。
文章名称：The microbiota-dependent tryptophan metabolite alleviates high-fat diet–induced insulin resistance through the hepatic AhR/TSC2/mTORC1 axis（Proc Natl Acad Sci U S A，IF=9.4，2024.08）
作者单位：华东理工大学、浙江工业大学
研究材料：血清、粪便
分组信息：雄性C57BL/6J小鼠（4周龄，n=6）连续喂食15周，对照组：ND小鼠（正常饮食）、实验组：HFD小鼠（高脂饮食）
组学技术：血清/粪便：非靶和靶向代谢组学、粪便：16S rDNA和宏基因组测序
技术路线：
PART 01
研究结果
01、高脂饮食诱导的胰岛素抵抗小鼠表现出肠道微生物群的显著变化
喂养过程中，HFD小鼠的体重增量更多，出现空腹高血糖（图1A和B）。HFD小鼠可观察到糖耐受性和胰岛素耐受性受损。粪便进行16S rDNA测序和宏基因组分析：HFD喂养显著改变了小鼠的肠道微生物群组成（图1E）。HFD小鼠拟杆菌门相对丰度下降，厚壁菌门丰度增加，与肥胖人群的肠道微生物特征一致。
图1 HFD诱导的IR小鼠表现出肠道微生物群的显著变化
(图源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)
02、高脂饮食诱导的胰岛素抵抗小鼠5-HIAA水平降低
ND和HFD的小鼠的肠道代谢水平之间存在显著差异（图2A和B）。差异代谢物主要富集的途径包括不饱和脂肪酸的生物合成、苯丙氨酸代谢、酪氨酸代谢和色氨酸代谢（图2D）。
色氨酸代谢在T2D和其他代谢综合征中发挥作用，且色氨酸代谢物5-HIAA在HFD小鼠的粪便中的存在水平低于ND小鼠（图2E）；靶向代谢组学证明：HFD小鼠的粪便和血清中的5-HIAA含量都降低（图2F）。说明在HFD诱导的IR小鼠中，5-HIAA通过色氨酸代谢受损而减少。
图2 HFD诱导的IR小鼠5-HIAA水平降低
(图源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)
03、5-HIAA可在体内经微生物通过非典型途径由色氨酸产生
为探讨5-HIAA是否可以由肠道微生物群由宿主独立产生。分别用Trp、5-HTP和5-HT对小鼠粪便悬液进行培养，测量5-HIAA的浓度。发现Trp和5-HTP在微生物催化过程中有显著的5-HIAA的产生，而5-HT没有（图3B），表明这种微生物代谢途径独立于典型的5-HT途径（luz15酶介导）。
小鼠粪便样本进行了宏基因组分析。在小鼠肠道微生物群中存在192株微生物菌株，具有与luz15同源的酶。通过质谱检测验证微生物从5-HTP中产生5-HIAA的非典型途径能力。
图3 5-HIAA可在体内经微生物通过非典型途径由色氨酸产生
(图源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)
04、5-HIAA改善葡萄糖耐受不良和肥胖且保持肝胰岛素敏感性
体内和体外试验，检验5-HIAA是否具有改善胰岛素抵抗的活性。动物模型进行糖耐量试验（OGTT）和胰岛素耐量试验（ITT）：5-HIAA改善了葡萄糖耐受和胰岛素耐受。
细胞模型经5-HIAA处理后，胰岛素促进的IRS1酪氨酸磷酸化和下游Akt磷酸化水平降低，提示5-HIAA可以促进肝脏胰岛素信号转导，保护胰岛素敏感性。
图4 5-HIAA改善葡萄糖耐受不良和肥胖且保持肝胰岛素敏感性
(图源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)
05、5-HIAA通过激活肝脏AhR/TSC2/mTORC1轴来促进胰岛素信号传导
推测5-HIAA对胰岛素信号传导的促进可能依赖于其对mTORC1信号通路的抑制。细胞实验证实5-HIAA抑制了mTORC1介导的S6K1磷酸化（图5A）。对于mTORC1上游负调控因子TSC2，5-HIAA剂量可以依赖性地刺激TSC2基因的转录，提高其蛋白水平（图5B和C）。且TSC2被沉默情况下，5-HIAA丧失对mTORC1激活的抑制。
另外体内体外实验中发现5-HIAA可以以配体依赖的方式激活AhR，且证实了AhR在TSC2-mTORC1信号通路中的上游作用，证明5-HIAA通过AhR抑制TSC2-mTORC1通路。
图5 5-HIAA通过激活肝脏AhR/TSC2/mTORC1轴来促进胰岛素信号传导
(图源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)
06、T2D患者显示5-HIAA水平下降
临床上，T2D患者（n = 21）与无T2D（H；n = 15）的粪便细菌发酵液中5-HIAA水平下降（图6A）。同时，T2D患者（n=23）与健康受试者（n = 22）血清中5-HIAA水平降低（图6B）。虽然两组间尿液中5-HIAA水平无显著性差异，但仍观察到T2D受试者有下降趋势（图6C）。
图6 T2D患者显示5-HIAA水平下降
(图源：Wei Du., et al., PNAS, 2024)
PART 02
文章小结
该研究通过动物模型粪便、血清样本的16S rDNA测序、宏基因组测序、非靶以及靶向代谢组学等技术，揭示肠道微生物群依赖的色氨酸代谢物5-HIAA在高脂饮食诱导的胰岛素抵抗和T2D中的重要作用；并发现5-HIAA是通过调节肝脏AhR/TSC2/mTORC1信号通路，改善胰岛素敏感性和葡萄糖代谢，具有潜在的治疗价值。此外，5-HIAA水平的降低可能作为T2D早期诊断的生物标志物，进一步的研究可以探索其在临床应用中的可能性。
PART 03
拜谱小结
5-HIAA是5-羟色胺下游的一种色氨酸代谢物，文章采用多组学技术剖析了5-HIAA促进肝脏胰岛素信号传导和保护胰岛素敏感性的潜在机制，揭示了肠道微生物依赖的5-HIAA在T2D发病机制中的调节作用，并为将5-HIAA作为潜在的糖尿病治疗药物提供了新的见解。
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参考文献：
Du W, Jiang S, Yin S, Wang R, Zhang C, Yin BC, Li J, Li L, Qi N, Zhou Y, Ye BC. The microbiota-dependent tryptophan metabolite alleviates high-fat diet-induced insulin resistance through the hepatic AhR/TSC2/mTORC1 axis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Aug 27;121(35):e2400385121.