来源《微生态》公众号。
导读
肠道菌群越来越被认为在人体免疫和健康中起着关键作用。衰老过程改变了微生物群的组成，这与炎症、活性氧(ROS)、组织功能下降和对衰老相关疾病的易感性增加有关。研究表明，植物多糖对肠道菌群具有有益的影响，主要表现在减少致病菌相对丰度和增加有益菌相对丰度方面。然而，关于植物多糖对衰老过程中与年龄相关的肠道菌群失调和ROS积累的影响的证据有限。为了探讨杜仲多糖(Eucommiae polysaccharides, EPs)对果蝇衰老过程中与年龄相关的肠道菌群失调和ROS积累的影响，我们采用标准培养基和添加EPs的培养基对具有相同遗传背景的果蝇进行干预，并采用一系列行为学实验和寿命实验观察EPs对衰老果蝇的影响。接下来，采用16S rRNA测序分析和定量蛋白质组学分析检测果蝇肠道菌群组成和蛋白质组成变化情况。本研究表明，在发育过程中补充EPs可延长果蝇的寿命。此外，EPs减少了年龄相关的ROS积累，并抑制了老年果蝇肠道内葡糖杆菌属(Gluconobacter)、普罗威登斯菌属(Providencia)和肠杆菌科细菌的相对丰度。机体肠道内微生物群中葡糖杆菌属、普罗威登斯菌属和肠杆菌科细菌的增加可能会导致果蝇衰老相关的肠道功能障碍，缩短它们的寿命。本研究表明，杜仲多糖可以作为益生元来预防衰老相关的肠道生态失调和氧化应激反应的影响。
论文ID
原名：Eucommia Polysaccharides Ameliorate Aging-Associated Gut Dysbiosis: A Potential Mechanism for Life Extension in Drosophila
译名：杜仲多糖改善衰老诱导的肠道菌群紊乱: 杜仲多糖延长果蝇寿命的潜在机制
期刊：International Journal of Molecular Sciences
IF：5.6
发表时间：2023.3
第一作者：魏晶晶，李秀娟
通讯作者：赵善廷，柴学军
通讯作者单位：西北农林科技大学动物医学院；西安医学院基础医学部
DOI号：10.3390/ijms24065881
实验设计
结果
1 一定浓度的杜仲多糖延长果蝇寿命
为了探讨杜仲多糖对果蝇生存率和寿命的影响，实验收集羽化48小时内的果蝇，采用标准的的酵母-玉米粉-蔗糖培养基(对照组)及添加了1%、2%、4%、8%和16%杜仲多糖的培养基对果蝇进行培养。结果发现，2%及4%杜仲多糖能够显著延长果蝇寿命(图1C，D及G)。4%杜仲多糖延寿作用更佳。
图1. 一定浓度的杜仲多糖延长果蝇的寿命。
2 杜仲多糖提高衰老果蝇的运动能力和繁殖力
运动能力是评价果蝇衰老的重要指标，实验发现，杜仲多糖能够显著提高野生果蝇的运动能力，攀爬能力明显增强(图2A)。
繁殖力实验是评价雌性果蝇衰老的另一项重要指标，实验发现杜仲多糖能显著提高老年雌性果蝇的繁殖能力，与对照组相比产卵量明显增加(图2B)。
图2. 杜仲多糖提高老年果蝇的运动能力及繁殖能力。
3 杜仲多糖抑制老年果蝇体内氧化应激
蛋白质组学结果显示，蛋白质表达在年轻果蝇和老年果蝇之间有明显的差异，而杜仲多糖处理的老年果蝇的蛋白质数据更接近年轻果蝇(图3B)。GSEA分析结果显示，相比年轻果蝇，老年果蝇的Keap1-Nrf2通路相关蛋白明显下调，而杜仲多糖干预的老年果蝇中这些蛋白显著上调(图3C-D)。这些数据表明，补充杜仲多糖激活了衰老果蝇抗氧化相关Keap1-Nrf1通路。
DHE染色结果所示，与年轻果蝇相比，老年果蝇的大脑和肠道中ROS显著增加。杜仲多糖处理后，老年果蝇的大脑和肠道中的ROS水平显著下降(图4E-G)。老年果蝇体内的SOD和GSH-Px活性明显低于年轻果蝇。经过杜仲多糖处理后，老年果蝇体内的SOD(图3H)和GSH-Px(图3I)活性显著升高。这些结果表明，杜仲多糖可以减轻果蝇与年龄相关的氧化应激反应。
图3. 杜仲多糖抑制老年果蝇体内氧化应激反应。
4 杜仲多糖改善老年果蝇肠道微生物紊乱
收集对照组年轻和衰老果蝇以及杜仲多糖处理的老年果蝇的肠道(图5A)，并利用16S rRNA扩增子测序评估微生物组成和多样性。结果发现年轻果蝇和老年果蝇肠道菌群β多样性存在显著差异，经杜仲处理的老年果蝇的肠道菌群组成在一定程度上挽救了肠道微生物群落中与年龄相关的紊乱(图5B)。
采用线性判别分析效应量(LEfSe)方法对样品的所有有效序列进行分析。结果显示，与年轻果蝇相比，老年果蝇体内的富集菌以Gluconobacter、Providencia和Enterobacteriaceae等菌为主(图5C)。Mantel测试将年龄变化的肠道菌群与年龄相关的ROS积累模块相关联。结果显示，Gluconobacter、Providencia和Enterobacteriaceae的丰度与ROS积累模块呈显著正相关(图5D)。进一步利用随机森林(RF)分析评估Gluconobacter、Providencia和Enterobacteriaceae对ROS积累的生物学贡献，发现Gluconobacter、Providencia和Enterobacteriaceae是预测果蝇ROS积累的主要变量(图5E)。
为了证实杜仲多糖对老年果蝇肠道上述三种菌的抑制作用，评估年轻果蝇、老年果蝇以及杜仲多糖处理的老年果蝇的Gluconobacter、Providencia和Enterobacteriaceae的相对丰度。与之前的结果一致，老年果蝇的Gluconobacter(图5F)、Providencia(图5G)和Enterobacteriaceae(图5H)的丰度相比年轻果蝇显著增加，而补充杜仲多糖后这些菌的丰度被抑制。这些结果表明，杜仲多糖改善了果蝇衰老相关的菌群结构紊乱。
图4. 杜仲多糖改善老年果蝇肠道菌群紊乱。
5 杜仲多糖的延寿作用可能是通过改善肠道菌群紊乱介导的
为了确定杜仲多糖的延寿作用与肠道菌群重塑之间的关系，收集新羽化的果蝇，分为对照组、杜仲多糖组、抗生素组、杜仲多糖+抗生素组、老年果蝇粪菌移植组及杜仲多糖干预后的老年果蝇粪菌移植组。结果发现，与对照组相比，杜仲多糖组果蝇的平均寿命显著增加；然而，经抗生素处理后，杜仲多糖的延寿作用大大减弱(图5B)。此外，与对照组相比，老年果蝇粪菌移植组寿命有轻微缩短，而杜仲多糖处理后老年果蝇粪菌移植组果蝇寿命显著延长(图5C)。这些结果进一步证实了杜仲多糖的延寿作用是通过重塑肠道菌群来实现的。
图5. 杜仲多糖的延寿作用可能是通过改善衰老果蝇的肠道菌群紊乱介导的。
讨论
杜仲皮作为一种传统中药，具有抗氧化、抗疲劳、免疫调节等多种生物学功能。杜仲多糖是杜仲的主要的活性成分之一，在以往的药理学实验中已显示出抗炎活性。在这项研究中，通过整合肠道微生物群、蛋白质组学和寿命的数据，我们证明了杜仲多糖补充剂延长了果蝇的寿命，并在衰老过程中选择性地抑制微生物群中的葡糖杆菌属(Gluconobacter)、普罗威登斯菌属(Providencia)和肠杆菌科细菌的丰度。此外，补充杜仲多糖还可以改善与年龄相关的ROS积累，这也可能有助于延长果蝇的寿命。
人们提出了各种理论来解释衰老相关的细胞和组织功能的退化。当ROS的生成大于清除时，它们被称为氧化应激。当ROS水平超过细胞抗氧化能力时，可触发一系列反应，造成严重的DNA损伤。Keap1-Nrf2通路负责调控许多抗氧化基因，这些基因在氧化应激反应中维持细胞稳态。越来越多的证据表明，多糖具有良好的极性和较大的分子量，具有很强的抗氧化作用。在先前的药理学实验中，杜仲多糖已被证明具有免疫调节、抗炎和神经保护活性。然而，杜仲多糖对衰老诱导的氧化应激和Keap1-Nrf2通路的影响尚未被研究。在本研究中，我们观察到补充杜仲多糖延长了野生黑腹果蝇的寿命，减少与年龄相关的ROS积累，提高了SOD、GSH-Px等抗氧化酶活性，上调了衰老果蝇Keap1-Nrf2通路相关基因的表达。提示，补充杜仲多糖可以有效缓解与年龄相关的氧化应激，从而延长果蝇的寿命。
在哺乳动物和果蝇中，肠道微生物在维持正常的肠道生理功能中起着至关重要的作用。研究表明，衰老与肠道菌群组成的变化、炎症和肠道通透性增加有关。多糖对肠道菌群具有有益作用，主要表现在通过减少有害菌的相对丰度和增加有益菌的相对丰度方面。例如，阿拉伯木聚糖促进双歧杆菌、乳杆菌和拟杆菌的生长，同时降低梭杆菌属、Bilophila和脱硫弧菌属的丰度。我们之前的研究表明，补充杜仲多糖可以抑制大肠杆菌的扩张，减少血清和结肠内容物中的脂多糖(LPS)，从而抑制神经炎症。葡糖杆菌属、普罗威登斯菌属和肠杆菌科是果蝇肠道中的的机会致病菌。在这项研究中，我们在老年果蝇中发现了大量的葡糖杆菌属、普罗威登斯菌属和肠杆菌科细菌。此外，各种研究报道，葡糖杆菌属、普罗威登斯菌属和肠杆菌科细菌的丰度与ROS积累呈正相关。此外，杜仲多糖通过抑制衰老果蝇肠道中葡糖杆菌属、普罗威登斯菌属和肠杆菌科的增殖来减轻年龄诱导的氧化应激。这一观点在粪菌移植和抗生素清除肠道菌群实验中得到了验证。因此，我们认为杜仲多糖在果蝇中的延寿作用主要是通过重塑肠道菌群失调来实现的。
结论
杜仲多糖补充剂能延长果蝇的寿命，还能有效改善年龄引起的衰退，如运动能力和繁殖力。其机制可能与其重塑衰老果蝇肠道微生物菌群，抑制氧化应激反应有关。
原文链接：
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10054339/
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