生长激素在调节生长、代谢、免疫、体内平衡过程和衰老方面具有深远的影响，它通过直接结合其膜受体(GHR)而起作用，GHR激活多个信号级联，并与胰岛素样生长因子1 (IGF1)协同或独立发挥多效作用，GH信号的受损被认为是导致许多代谢疾病的原因。肝脏和脂肪都是生长激素（GH）的靶点。此前多项研究揭示了肠-肝轴、肠-肌肉轴、肠-脂肪轴等在宿主代谢调控中的作用，但组织特异性生长激素信号对肠道菌群的影响尚不清楚。
2023年6月，山东第一医科大学附属省立医院吴英杰教授与团队在Gut microbes (IF=12.2)期刊发表题为“Deletion of hepatic growth hormone receptor (GHR) alters the mouse gut microbiota by affecting bile acid metabolism”的研究论文，作者利用脂肪组织和肝脏中特异性敲除GHR的小鼠，证明了组织特异性GH信号对肠道菌群的影响以及肝脏GHR在调节胆汁酸代谢中的作用，揭示了肝脏GHR通过胆汁酸代谢调节肠道菌群的机制以及肠道菌群改变潜在的反馈作用。（麦特绘谱提供Q300全定量代谢组、胆汁酸谱、LC-MS短链脂肪酸谱检测分析）
Ghr缺失影响肠道菌群
分析肝脏中敲除GHR（LKO）和脂肪组织中敲除GHR（AKO）小鼠及GHRflox/flox（LL）小鼠肠道菌群，发现肝脏（而不是脂肪组织）中GHR的缺失会影响肠道菌群，其中拟杆菌门和厚壁菌门，以及乳杆菌科、Muribaculaceae、Parasutterella等几个属的丰度发生显著改变，而α-多样性未受影响。
代谢表型方面，LKO小鼠的肝脏较重，AKO小鼠棕色和白色脂肪组织较重，尽管两者体重无差异；AKO小鼠脂肪细胞扩大，LKO小鼠肝脏脂肪变性明显增加；与LL小鼠相比，LKO小鼠的胰岛素耐量试验(ITT)明显受损，而AKO小鼠的胰岛素耐量试验(ITT)改善。相关性分析表明LKO小鼠肠道菌群的变化与其代谢表型受损相关。
图1. 肠道菌群结构分析
肝脏胆汁酸代谢分析
对小鼠脂肪组织与肝脏组织进行靶向定量代谢组学分析，利用WGCNA鉴定代谢模块聚类，探索细菌门与代谢物的相关性。对于肝脏，如图2所示，蓝色模块与拟杆菌门和厚壁菌门的相关性最显著且最强；将近一半的胆汁酸聚集在蓝色模块，大多数与拟杆菌门和厚壁菌门的变化高度相关。这些结果表明，肝脏胆汁酸与肠道细菌群落的变化有关。
图2. WGCNA分析肠道细菌与肝脏代谢物的相关性
肝脏中检出的19种胆汁酸，LKO组总胆酸含量显著高于LL和AKO组，一些结合型胆汁酸显著富集；此外，LKO小鼠肝脏和血清中均显著富集12-OH胆汁酸，且12-OH胆汁酸/非12-OH胆汁酸比值明显增加，而血清中CYP7A1活性指标7α-羟基-4-胆甾烯- 3-酮(C4)含量无明显变化。
图3. 胆汁酸谱分析
进一步分析胆汁酸代谢相关基因的表达水平，发现LKO小鼠肝脏中决定12-OH胆汁酸/非12-OH胆汁酸比值的Cyp8b1显著上调，与其比值升高的结果一致。而编码胆汁酸合成限速酶的Cyp7a1的表达量没有变化，这与血清C4含量一致。这些结果表明，LKO小鼠高水平胆汁酸在归因于上调的Cyp8b1。进一步通过小鼠及细胞实验证实，肝脏GH信号直接调节Cyp8b1而不依赖于FXR。
肝脏Ghr缺失影响肠道胆汁酸谱
LL小鼠和LKO小鼠盲肠内容物胆汁酸谱分析显示，其胆汁酸池均以非结合胆汁酸为主，如DCA、ωMCA、βMCA、αMCA和LCA，这些胆汁酸的含量在LKO组均有所增加，导致总胆汁酸含量显著增加；此外，LKO组初级胆汁酸含量显著升高，次级胆汁酸和结合型胆汁酸含量显著降低；胆汁酸转运相关基因，如Iba、Ostb和Ibabp在盲肠中表达水平显著下调，Fxr及其下游Fgf15的表达水平降低。并且肠道菌群中几个属与盲肠内容物中胆汁酸的变化具有显著相关性。
图4. 盲肠内容物胆汁酸谱的变化及其与肠道菌群相关性
肝脏Ghr缺失对微生物群功能的影响
接下来分析胆汁酸代谢相关通路的丰度，发现LKO组中参与初级胆汁酸转化为次级胆汁酸的微生物7α-羟基类固醇脱氢酶(7α- HSDH)基因丰度显著低于LL组，参与结合型胆汁酸去结合的微生物胆盐水解酶(BSH)基因的丰度表现升高的趋势。另外，与短链脂肪酸产生相关的几个通路在LKO中显著下调。随后对盲肠内容物短链脂肪酸谱进行分析显示，LKO组乙酸、丙酸和异己酸含量显著升高，己酸含量显著降低。
图5. 盲肠内容物短链脂肪酸分析结果
此外，另一种与脂肪肝密切相关的菌群代谢物苯乙酸（PAA）在LKO小鼠中明显升高。PAA是由细菌发酵苯丙氨酸(Phe)产生的，经由苯丙酮酸(PPA)被PorA代谢而成，并后续被PaaK、PaaABC和PaaG等酶或酶亚基降解。基于Tax4Fun2预测分析肠道菌群中PAA代谢相关基因的丰度显示，LL组和LKO组均含有丰富的porA和paaK，但LL组中paaK的丰度相对高于porA，说明LL组肠道菌群对PAA的降解能力更强。
图6. LL小鼠和LKO小鼠的PAA代谢
小结
综上所述，本研究发现了肝脏GHR通过CYP8B1调节胆汁酸酸代谢影响肠道菌群的作用，并且改变的肠道菌群反过来影响其代谢物，这些代谢物可能有导致胰岛素抵抗和肝GHR缺失引起的肝脂质积累。本研究提供了肝脏GH信号驱动的肠道菌群失调的代谢基础，对于探索组织特异性GH信号对肠道菌群的修饰作用及其参与肠道菌群-宿主相互作用具有重要意义。
文章信息
Yu Z, et al. Deletion of hepatic growth hormone receptor (GHR) alters the mouse gut microbiota by affecting bile acid metabolism. Gut Microbes. 2023.
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