肥胖会破坏昼夜炎症节律，这是代谢综合征的一个决定性特征。然而，连接微生物与宿主昼夜通讯的机制仍不清楚。通过使用可发酵纤维低聚果糖（FOS）来恢复微生物节律性，研究人员发现高脂饮食（HFD）破坏了肠道菌群调节的谷胱甘肽（glutathione）代谢振荡，从而削弱了结肠炎症节律，且不依赖于核心时钟机制。粪便微生物群移植（FMT）进一步支持了节律性粪便微生物信号在恢复炎症振荡中的因果作用。整合的多组学分析突出表明，昼夜谷胱甘肽代谢是连接微生物节律性与宿主炎症振荡的一个突出候选通路。重要的是，在结肠特异性敲低谷胱甘肽合成限速酶基因Gclc后，微生物节律的恢复效应被消除，这从功能上将宿主谷胱甘肽代谢定位为关键的下游介质。总之，本研究支持存在一种微生物群-谷胱甘肽轴，其有助于调节结肠炎症节律，揭示了微生物控制宿主炎症的一个新的时间生物学层面。
研究背景与科学问题
昼夜节律是生物体适应和预测每日环境变化的基本机制，在胃肠道中，这些节律对维持肠道稳态至关重要。代谢综合征，包括肥胖、胰岛素抵抗和高血压等，通常伴随着慢性低度肠道炎症。长期高脂饮食（HFD）喂养会深刻破坏昼夜炎症节律，表现为升高的炎症基调和节律性显著丧失。肠道菌群作为一个动态的代谢活性生态系统，表现出其固有的昼夜波动，是宿主生理的非细胞自主性关键调控者。然而，微生物节律性与宿主炎症振荡之间同步的精确分子机制仍是一个重要的未解问题。本研究的核心在于探索饮食诱导的肥胖背景下，肠道菌群如何通过特定的分子途径调控宿主结肠的炎症昼夜节律。
研究概述与重要意义
本研究发表在《Gut Microbes》期刊。研究人员利用高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型，探究了可发酵膳食纤维（低聚果糖，FOS）如何通过调节肠道菌群节律，进而恢复被破坏的结肠炎症昼夜振荡。研究整合了时间生物学、微生物学、遗传学和多组学（16S rRNA测序、代谢组学、转录组学）分析方法。其重要意义在于，首次揭示了肠道菌群通过调节宿主结肠的谷胱甘肽代谢节律，来驱动炎症振荡恢复，这构成了一个独立于宿主核心生物钟之外的“微生物群-谷胱甘肽轴”，为理解饮食、菌群和宿主健康之间的相互作用提供了新的机制见解，并为代谢性疾病相关炎症的时序治疗策略指出了新靶点。
关键技术方法
研究使用雄性C57BL/6J小鼠，建立低脂饮食（LFD）、高脂饮食（HFD）及高脂饮食补充10% FOS（HFD-FOS）的干预模型。在干预7周后，于6个昼夜时间点（ZT0, ZT4, ZT8, ZT12, ZT16, ZT20）收集样本。关键方法包括：
- 1.
菌群操控：使用抗生素混合物耗竭肠道菌群以验证菌群依赖性；进行时间点特异性（ZT0和ZT12）粪便微生物群移植（FMT）以验证菌群节律性的因果作用。
- 2.
结肠特异性基因敲低：通过灌肠方式递送携带双sgRNA的腺相关病毒（AAV）载体，在结肠上皮特异性敲低谷胱甘肽合成限速酶基因Gclc。
- 3.
多组学分析：对结肠内容物进行非靶向代谢组学分析，对结肠组织进行转录组学（RNA-seq）分析，并利用JTK_CYCLE算法进行节律性分析，通过KEGG通路富集整合分析寻找核心通路。
- 4.
表型与机制检测：通过qRT-PCR、ELISA检测炎症因子（如Tnfα、Il6、Ccl2、Nos2）及粪便标志物（MPO, FCP）；通过组织化学染色（H&E，阿尔新蓝）评估结肠形态和杯状细胞；通过免疫染色评估组织缺氧；通过生化试剂盒检测谷胱甘肽（GSH, GSSG）、氧化应激标志物（MDA）、能量代谢指标（ATP, PDH活性, 乳酸）及线粒体呼吸链基因表达。
研究结果分析
3.1. 肥胖破坏昼夜炎症变化，微生物靶向干预可恢复之
研究证实HFD诱导了肥胖表型，并导致结肠黏膜损伤、杯状细胞减少以及炎症标志物（Tnfα, Il6, MPO, FCP）水平升高。LFD和HFD-FOS组小鼠的结肠炎症标志物呈现显著的昼夜变化（如ZT0低于ZT12），而HFD组该昼夜变化消失，炎症水平持续高位。FOS干预改善了结肠病理，并恢复了炎症标志物的昼夜变化模式。
3.2. 肠道菌群是结肠炎症昼夜变化的基础
抗生素耗竭肠道菌群后，FOS恢复炎症昼夜变化的作用消失。而在肠道上皮特异性敲除核心时钟基因Bmal1的小鼠中，FOS仍能恢复炎症节律，表明FOS的作用依赖于肠道菌群而非宿主核心时钟基因。菌群分析显示，HFD扰乱了菌群结构，并消除了特定菌门（如厚壁菌门）和菌属（如ASF356、Marvinbryantia、NK4A214_group）的昼夜波动，这些菌属与炎症标志物呈负相关。FOS干预恢复了这些菌属的丰度及其昼夜振荡。
3.3. FOS通过促进节律性振荡的抗炎类群重塑微生物生态
通过对6个时间点的菌群分析，研究人员发现LFD和HFD-FOS组的菌群组成存在显著的时间差异，而HFD组的节律性减弱。共鉴定出21个在LFD和HFD-FOS组中呈现节律性、但在HFD组中失去节律的扩增子序列变体（ASVs），其中多个ASVs（如ASV140, ASV159, ASV180, ASV235）与炎症因子Tnfα或Il6水平呈显著负相关。这表明FOS通过增强与炎症负相关的细菌的节律性表达来调节菌群节律。
3.4. 微生物节律性引导结肠炎症振荡
为验证微生物节律性的因果作用，研究人员将HFD-FOS供体小鼠在ZT0或ZT12采集的粪便悬液分别移植给HFD喂养的受体小鼠。结果显示，接受不同时相菌群移植的两组受体，其结肠炎症标志物（Il6, Ccl2, Nos2）的昼夜变化均得到恢复。值得注意的是，接受ZT0时相菌群移植的组别，其炎症水平总体低于ZT12组，且炎症标志物节律振荡的振幅更高。这证明微生物的节律性信号足以引导宿主结肠炎症的昼夜振荡。
3.5. 谷胱甘肽代谢成为连接微生物与宿主振荡的关键节律通路
为阐明机制，研究人员对结肠内容物和组织进行了多时间点代谢组学和转录组学分析。整合分析发现，谷胱甘肽代谢通路是唯一在LFD和HFD-FOS组中均富集、但在HFD组中缺失的节律性通路。时间进程测量证实，结肠谷胱甘肽含量及其合成限速酶基因Gclc的mRNA表达在LFD和HFD-FOS组中呈现清晰的昼夜振荡，而在HFD组中该振荡消失。此外，HFD组表现出氧化还原稳态紊乱（GSSG和MDA升高，GSH/GSSG比率降低），FOS干预改善了这些指标。
3.6. 破坏谷胱甘肽合成可消除微生物驱动的炎症节律恢复
为功能验证，研究人员在HFD-FOS喂养的小鼠中，通过AAV灌肠敲低结肠上皮的Gclc基因。结果显示，Gclc敲低完全阻断了FOS恢复炎症标志物（Tnfα, Il6, Ccl2, Nos2）昼夜变化的能力，并显著降低了这些标志物节律振荡的振幅。这证明宿主结肠的谷胱甘肽合成是微生物节律恢复炎症振荡所必需的下游介质。
3.7. 谷胱甘肽依赖性线粒体能量代谢调控是恢复结肠缺氧节律的基础
谷胱甘肽通过调节线粒体能量代谢影响炎症。研究显示，HFD破坏了结肠正常的生理性缺氧状态，而FOS干预使其恢复。机制上，FOS恢复了结肠组织中线粒体功能指标的昼夜节律：升高了ATP水平和丙酮酸脱氢酶（PDH）活性，降低了乳酸积累，并增强了线粒体呼吸链关键基因（Ndufs1, Ndufv1, Atp5g1, Uqcr）表达的振幅。这表明，微生物驱动的谷胱甘肽节律通过恢复线粒体能量代谢的昼夜振荡和生理性缺氧，来维持肠道稳态。
讨论与结论总结
讨论部分指出，本研究发现了一个独立于宿主核心生物钟之外的“微生物群-谷胱甘肽代谢轴”，该轴在调节结肠炎症昼夜节律中发挥关键作用。高脂饮食通过破坏肠道菌群的节律性，导致宿主结肠谷胱甘肽代谢振荡丧失，进而引起炎症节律失调和持续低度炎症。可发酵纤维FOS可通过恢复有益菌群的节律性，重新建立谷胱甘肽代谢的昼夜振荡，从而恢复炎症节律，这一过程不依赖于宿主时钟基因Bmal1。谷胱甘肽代谢的节律性活动与线粒体能量代谢的改善和组织缺氧的正常化相耦合。这揭示了一种新的时间生物学机制，即微生物群落作为非细胞自主性计时者，通过调节宿主基础细胞抗氧化通路来编排宿主的炎症和代谢周期。该发现扩展了人们对微生物如何影响宿主时间生物学的理解，并为针对代谢性疾病炎症的时序疗法提供了新的机制靶点。
研究结论翻译
总之，我们的研究结果支持一个模型，即微生物节律通过谷胱甘肽依赖性机制被转导，以引导宿主的炎症和代谢周期。这个微生物群-谷胱甘肽-线粒体轴构成了一个额外的时间调控层，它与经典的时钟网络平行运作，从而即使在核心时钟组件受损时也能维持昼夜稳态。这一微生物-代谢回路能够独立于宿主转录振荡器运作的能力，表明了一种进化上保守的互补机制，支持了在不同生理条件下肠道功能的时间调节。这些见解拓宽了我们对微生物群落如何影响宿主时间生物学的理解，并强调了用于缓解代谢性疾病炎症的计时治疗策略的新机制靶点。最后，发现一个基础的细胞抗氧化系统充当了微生物和宿主生理学之间的时间接口，这为阐明代谢通路如何整合环境和生物时间线索以协调生理稳态和对抗疾病开辟了新途径。
