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客观的的食源性肠道微生物群失调影响远远超出了肠道。我们的目标是发现的直接证据涉及gut-testis轴受损的精子形成的病因学。
设计一个活力食源性代谢综合征(大都会)羊模型成立。睾丸样本,主机代谢物和肠道微生物组进行分析。粪便微生物群移植(FMT)证实了肠道微生物群和精子发生之间的联系。
结果我们证明spermatogonia被捕的数量明显升高通过使用10×单细胞RNA-seq大都会的模型。此外,利用代谢组学分析和16 s rDNA-seq,我们发现维生素A在肠道的吸收被废除由于显著减少胆汁酸水平,能显著减少大量的Ruminococcaceae_NK4A214_group。值得注意的是,维生素的代谢异常影响被转移到睾丸细胞通过血液循环,导致精子发生异常,证实了FMT。
结论这些发现为连接定义一个起点睾丸通过主机代谢物的作用和调节肠道微生物群的潜在价值,并将治疗男性不育的大都会。
- 肥胖
- 胆汁酸代谢
- 维生素
数据可用性声明
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本研究的意义
已知在这个问题上是什么?
越来越多的证据显示,是一个活力食源性肥胖是代谢综合征的危险因素之一(大都会)。
代谢紊乱的肠道微生物群中起着举足轻重的作用。
最近的研究表明,肠道微生物群会影响精子发生。
有什么新发现吗?
大都会模型引起的饮食与活力水平导致显著的高程异常数量的睾丸小管和spermatogonia分化急剧下降。
维生素吸收中断,这主要是由于大大减少了大量的胆汁酸不均衡引起的肠道微生物群在大都会模型中。
的异常代谢影响维生素A是转移到睾丸细胞通过血液循环,导致受损的精子发生。
维生素A代谢异常导致损坏的精子发生肠道微生物群依赖的方式利用粪便微生物群移植。
它会如何影响临床实践在可预见的未来吗?
这些发现表示连接睾丸的开始通过主机代谢物的作用和调节肠道微生物群。
维生素代谢可能是一个潜在的指标申请男性不育症患者大都会。
维生素通过恢复新陈代谢的调节肠道微生物生态系统将有价值的男性不育治疗患者大都会。
介绍
现在越来越多的证据表明,能量摄入过多会增加代谢综合征的危险因素(大都会),这是严重有害健康,已成为世界范围的一个主要卫生问题;令人担忧的是,它显示出一个年轻的趋势,其日益增长的患病率与男性不育症发病率的增加伴随。1
几项研究表明,过度消费过度的能量调节男性生殖功能,从而影响精子发生。2 - 6观察肠道微生物群失调过度能源食源性大都会。7 8最近,丁等9表明高脂饮食诱导肠道微生物生态失调与多变的表型通过粪便微生物移植诱导(FMT)会导致男性不育,证实肠道微生物群和精子发生之间的因果关系。在另一项研究中,等10发现,褐藻胶寡糖给老鼠精子发生的改善FMT后,建议FMT的可能性可能用于治疗患者的临床研究。通过代谢物,这些影响可能是介导因为肠道是理想的位置,可以感觉过度能源地位,能够通过肠道微生物群的消化和营养的吸收,进一步改变全身的新陈代谢。11日12然而,gut-testis轴的影响引起的男性不育症大都会在很大程度上是未知的。
,我们的研究结果阐明gut-testis轴机制负责损害精子形成的诱导过度能量饮食模式。此外,我们发现肠道微生物群的改造导致胆汁酸水平降低,进而影响关键中间维生素的吸收。这些发现表明,肠道微生物群的修改和变更的维生素的新陈代谢有潜在的治疗引起的男性不育的大都会。
结果
饮食过度引起的代谢紊乱能级导致精子发生障碍
研究饮食与过度的能量水平对精子发生的影响,我们建立一个过度能源饮食羊模型(在线补充表1和2)。正如所料,中能饮食(地中海)和高能量饮食(HED)组明显增加体重比正常饮食(ND)(标准食物饮食)组(在线补充图1)。地中海和HED团体也成为葡萄糖不能容忍和发达的胰岛素抵抗,而ND组没有(在线补充图1 b)。与此同时,HOMA-IR QUICKI和松田索引被显著改变在地中海和HED组(在线补充图1 c)。此外,空腹血糖和胰岛素浓度显著增加在HED集团(在线补充图1 d)。血清低密度脂蛋白胆固醇和总胆固醇(TC)在很大程度上增加了地中海和HED组,而高密度脂蛋白胆固醇显著减少HED集团(中可观察到在线补充图1 e)。这些研究结果表明,大都会羊模型引起的地中海饮食中含有过多的能量和HED组。
然后,我们研究精子发生通过分析)染色组织样本,多核巨细胞和混乱的睾丸精子发生的细胞医疗集团(图1一个)。HED组的精子发生受损越来越严重,在精子发生的细胞的数量明显减少,和精子发生的上皮变薄(图1一个)。histomorphologically小管异常的百分比显著增加在地中海和HED组相比ND组(图1 b)。此外,他走时尾附睾的染色显示许多成熟精子在ND组,但一些观察细胞碎片在地中海和HED组(图1 c)。地中海的附睾的精子浓度较低,HED组的价格相比ND组(图1 d)。精子形态学显示更高层次的异常在地中海和HED组相比ND组(在线补充图2)。日积月累,我们的研究结果表明,大都会羊模型,由饮食中含有过多的能量,受损的精子发生。
深入分析10×scRNA测序表明精子发生是由于受损阻塞分化spermatogonia (SPG)
定义精子发生的细胞亚型中从事生物学途径或功能受损的精子发生过度能源食源性大都会羊模型,睾丸细胞进行(10×基因组学分析在线补充图3)。细胞生存能力的比率和聚合所示在线补充表3地中海ND一起.Filtered数据进行分析,和HED团体通过使用统一的歧管近似和投影分析识别细胞亚型。相应的已知基因标记睾丸在不同的细胞类型,我们确定了9个集群,包括抢断,早期spermatocyctes(单亲中心),SPC,圆形精子(Std)早期,中期性病,末轮性病,塞尔托利氏细胞、睾丸间质细胞和未定义的细胞(在线补充图3 b)。九个集群的基因标记所示在线补充图3 c, D。
阐明生殖细胞分化的分子性质在受损的代谢紊乱引起的精子发生,我们计算每个细胞亚型的比例,只使用ND的生殖细胞,地中海和HED组。所示图1 e, F集群,显著差异显示在抢断(ND: 3.8%,地中海:6.58%,HED: 14.28%),早期程控集群(ND: 7.86%,地中海:17.60%,HED: 22.99%)和末轮Std集群(ND: 41.00%,地中海:16.12%,HED: 14.36%)在三个治疗组。对应)染色结果,精子发生的细胞在地中海和HED组显著降低,这表明,抢断分化中断。因此,我们对厂家进行聚类分析(在线补充图4 a e)。这显示四个不同细胞集群,我们定义为:(1)未分化的抢断(undiffed抢断),(2)区分抢断(dif抢断),(3)分化抢断(diffed抢断),和(4)pre-leptotene SPC (pre-L-SPC),基于几个基因标记如前所述。13 - 15评估这四个抢断子集的发展轨迹,我们monocle拟时间轨迹进行分析,将单个细胞发展轨迹。据透露,这4个抢断子集有以下发展顺序:undiffed抢断→dif抢断→diffed抢断→pre-L-SPC (图1 g, H)。同时,分支点的存在的线性路径拟时间轨迹观察,证明细胞的一个分支组织代表的分化undiffed抢断dif SPG pre-L-SPC;细胞的其他分支组织代表了过渡态架桥undiffed抢断和dif抢断阶段,可能SSC池浓缩,同时生成祖SPG,发起了精子发生的分化(图1我)。
为了探索抢断分化的机制缺陷在大都会绵羊模型中,基因本体论(去)分析表明,不同类别的差异表达基因丰富的ND和医疗集团和ND和HED集团(图1 j)。生殖过程和代谢过程的高纯度在抢断方面集群在ND和地中海以及ND和HED,这表明代谢过程是符合生殖过程和在抢断分化显著改变。
维生素的吸收减少中断由于激烈的大都会的胆汁酸水平模型
地址是否逮捕抢断分化与肠道代谢密切相关,我们检查了没有针对性代谢物概要文件生成在肠道digesta样品使用超高液相chromatography-quadrupole飞行时间质谱分析。使用偏最小二乘判别分析,我们发现不同的代谢物在ND集群,地中海和HED组(图2一个和在线补充图5)。饮食过度的能量足以引发广泛的代谢物的变化(在线补充图5 b, C)。有趣的是,这两个比较有250个常见微分代谢物改变,他们主要是富含维生素的消化和吸收KEGG通路(图2 b)。微分代谢物富含维生素的消化和吸收途径是由三个五脂溶性维生素和水溶性维生素(图2 c)。由于胆汁酸相关通路也丰富,我们提出,脂溶性维生素的吸收是受胆汁酸水平的影响。有三种脂溶性维生素:维生素A,维生素A醛和α-生育酚(维生素E)。视黄醇和视黄素是生物活性形式的维生素A,可以互相转化成体内和有相同的功能。视黄素可能进一步氧化retinic酸,但这是一个不可逆过程。维生素E是一种抗氧化剂,促进维生素A的吸收。我们发现,维生素E的相对丰度降低在地中海和HED组相比ND组(图2 da),从而影响维生素的吸收前组。值得注意的是,视黄醇的相对丰度显著增加,而视黄素的相对丰度在地中海和HED组显著下降的价格相比ND组(图2 db)。为了定义的差异代谢物没有从不同的饮食的差异,视黄醇和视黄素水平进行测量和显示ND无显著差异,地中海和HED组(在线补充图6)。这些结果表明,维生素A的吸收在大都会干扰模型。视黄醇的大量增加,而丰富的视黄素是减少;这是因为小视黄醇被转换为视黄素,视黄醇迷路了而不是被吸收。此外,glycocholic酸的相对丰度并没有改变,而胆酸的相对含量(CA),石胆酸(LCA)和tauroursodeoxycholic酸(TUDCA)显著下降(图2 dd - g)。综上所述,这些没有针对性代谢物资料表明,吸收的维生素A是大都会的胆汁酸水平降低特异表达模型。
肠道微生物群失调在大都会诱导模型
肠道微生物群在其宿主代谢起着至关重要的作用,与宿主的相互作用的信号通路16日17;因此,我们研究了细菌16 s rDNA肠道digesta测序。稀疏曲线检测显示,进一步分析的数据是可靠的(在线补充图7)。一个独特的微生物群组成的集群三个治疗组观察到使用基于Bray-Curtis主坐标分析(图3一)。评估的总体构成细菌社区不同群体,肠道微生物群的细菌分类相似度分析在门级(图3 b)。此外,香农曲线,OTU等级曲线,香农指数和辛普森指数显著改变肠道微生物群,表明肠道微生物群的丰富性和多样性降低在地中海和HED组(图3 c和在线补充图7)。此外,二十九细菌改变在属级的地中海和HED组相比ND组(图3 d)。Genus-level分析表明,大部分的这些改变细菌属于厚壁菌门,Ruminococcaceae在这些genus-level细菌中,的相对丰度Ruminococcus_2和Ruminococcaceae_NK4A214_group显著降低在地中海和HED团体而ND能量剂量依赖性的方式在长期高热量的挑战(在线补充图7 b)。
胆汁酸的生理功能包括促进吸收脂溶性维生素a。研究结果表明,CA, LCA与视黄醇和TUDCA相关,也与视黄素利用皮尔森相关分析(图4和在线补充图8)。探讨功能性肠道微生物生态失调和胆汁酸水平之间的关系,斯皮尔曼的相关分析。所示图4 b,斯皮尔曼的CA之间的相关分析,LCA TUDCA和微分genus-level细菌透露,编号4,9日,15日,17日,19日,21到27 CA有显著相关性,LCA, TUDCA。结合这些细菌的相对丰度(在线补充图7和8 b),Ruminococcaceae_NK4A214_group表现出很强的相关性与CA, LCA和TUDCA (图4 c)。总体来讲,Ruminococcaceae_NK4A214_group大幅下调,进而对胆汁酸水平有着深远的影响,并进一步影响主机维生素的吸收大都会模型。
维生素的代谢功能障碍是转移到主持人睾丸大都会模型
为了深入调查损害精子发生的机制,我们验证了维生素在睾丸新陈代谢。首先,我们进行有针对性的代谢组学分析维生素A水平的睾丸使用液体chromatography-MS样本不同的治疗组。维生素A水平显著降低HED组相比ND组(图5一个)。此外,我们发现在血清维生素A水平使用酶联免疫试剂盒,发现数据指向一个类似的趋势,在睾丸(图5 b)。血液中的睾丸细胞接受维生素A,和血清维生素A是受视黄醇结合蛋白4 (RBP4)。维生素A可以被运输到睾丸细胞通过RBP4交付膜。因此,我们调查了表达式使用immunofluorescent RBP4水平(如果)染色和免疫印迹。结果表明,该表达式RBP4水平显著降低在地中海和HED组的价格相比ND组(图5 c)。这些结果与维生素A水平测试LS-MS和ELISA实验。
10×scRNA-seq之前给出的结果表明,从undiffed SPG分化pre-L-SPC部分屏蔽。PLZF表达的抢断,这是一个标志基因的维持自我更新的细胞未分化的抢断。18所示在线补充图9PLZF表达水平的调节,睾丸通过使用如果染色和免疫印迹在地中海和HED组相比ND组。此外,标记基因的表达的减数分裂pre-L-SPC被检测到,我们发现STRA8 SYCP3表达水平大幅下降,显示如图所示,如果染色(图5 d)和免疫印迹(图5 e, F)。
在目前的研究中,损害精子形成过程中因减数分裂基因的表达下调表达标记,和维生素A在减数分裂基因活化代谢起到了至关重要的作用。进一步评估RDH10水平是否改变了睾丸,我们确定的表达水平RDH10使用如果染色和免疫印迹,发现在地中海和HED组表达下调与ND组(图5 c, E, F)。在一起,这些结果表明,维生素A的代谢异常,从而降低水平的维生素A和RDH10造成了损害受损的睾丸精子发生大都会模型。
扰乱性的维生素代谢导致受损的肠道微生物群依赖的方式精子发生
探讨肠道微生物群对受损的影响精子发生表型在大都会模型中,肠道的微生物群digesta取自ND和HED团体被移植到小鼠口服填喂法(图6)。8周后殖民,体重(在线补充图10)、血清TC水平(在线补充图10 b)和血清TG水平(在线补充图10 cND-FMT)没有任何明显的区别(小鼠移植的微生物群ND控制)和HED-FMT(老鼠收到HED微生物群)。然而,HED-FMT显示睾丸维生素a水平明显降低,与老鼠ND-FMT (图6 b)。进一步确认微分睾丸FMT组维生素A水平的改变是由于殖民肠道微生物的维生素A和胆汁酸水平传播的捐赠者,我们检查了传播材料从捐赠者ND和HED组。移植的材料是由严格的稀释,使均匀过滤过程,我们发现,维生素a的水平,视黄素和胆汁酸捐赠两组没有显著差异(在线补充图11 a - c)。此外,我们发现的丰富Ruminococcaceae_NK4A214_group传播材料的捐赠者和发现的丰富Ruminococcaceae_NK4A214_group是HED组显著下降的价格相比ND组(在线补充图12)。我们也分析的丰富Ruminococcaceae_NK4A214_group在ND-FMT HED-FMT PCR和qPCR,发现大量的Ruminococcaceae_NK4A214_group显著降低HED-FMT组相比,ND组(图6 c和在线补充图12 b)。
确认微生物群移植调制精子形成,我们进行)染色检查睾丸形态。这表明从老鼠睾丸组织移植和微生物群表现出睾丸的正常发展,而组织移植小鼠的微生物群HED组表现出精上皮变薄和超然的睾丸细胞细精管的基膜;此外,一些精子发生的细胞死亡和脱落的luminae小管(图6 d)。异常的比例小管之间的观察ND-FMT HED-FMT;ND-FMT大约12%异常的小管,而HED-FMT超过47% (图6 e)。STRA8的表达水平和RDH10测定如果染色(图6 f)和免疫印迹(图6 g H),和HED-FMT显著减少蛋白表达,类似于大都会的结果模型。总的来说,这些结果表明收件人老鼠捕捉微生物在代谢紊乱和代谢表型观察模型,和肠道微生物群的干扰代谢介导的维生素A,导致精子发生损坏。
讨论
大都会已成为世界范围的一个主要卫生问题。男性不育在大都会通常伴有肠道微生物群失调。然而,只有有限的选择治疗治疗男性不育症患者大都会。因此,gut-testis轴在大都会的男性不育的病因学是值得探索的。首先,我们进行了一次详细的表型从大都会模型评估精子发生障碍引起的过度饮食和能量显示显著的高程异常的小管的数量和抢断分化急剧下降。此外,破坏维生素A的吸收在小肠中观察到大都会模型。值得注意的是,脂溶性维生素的吸收受胆汁酸水平降低,与大量的强烈相关Ruminococcaceae_NK4A214_group在大都会模型中。这些研究结果表明,破坏维生素的吸收主要是由于大大减少了大量的这些胆汁酸的内稳态失衡引起的肠道微生物群。最后,维生素A的代谢的关键作用gut-testis轴被发现在我们的研究中。这一发现表明,通过其能力恢复肠道微生物生态系统,维生素A的代谢可能是一个潜在的候选治疗男性不育患者大都会(图7)。
充足的维生素A是必不可少的雄性和雌性生殖和胚胎发育。19日20维生素A是尤其重要的,因为它的角色在减数分裂的过程中开始在雌性生殖腺胚胎发生和男性性腺后天。维生素A的分子前体是维甲酸(RA),和风湿性关节炎也不可或缺的减数分裂启动和激活看门人减数分裂的基因STRA8。-RA代谢从视黄醇由两个连续的氧化反应。在第一步中,视黄醇是可逆转换为视黄醛(、)主要是由酶RDH10。28 29在第二步中,文化、可以被氧化形成RA由醛脱氢酶1一个家庭的成员。30.一些研究报告,缺乏维生素A的啮齿动物遭受男性不育主要是由于缺乏RA。31日在临床研究中,指出生殖细胞发育不全与当地放松管制的维生素的新陈代谢有关。32最近,证据表明维生素状态之间的关系和大都会。33-36此外,一些报告指出,维生素A缺乏是一个可能的大都会的独立危险因素。37 38然而,是否一个大都会和维生素A缺乏症的不孕症之间的联系还没有发现。生物的工作作为一个整体,所以一个干涉一个器官可能会影响身体的自我平衡的平衡,导致其他相关器官的损害。我们所知,目前的研究结果首次表明,维生素A的代谢异常过程强烈由胆汁酸失调和肠道微生物群失调,导致男性生育能力通过血液循环障碍的大都会模型。此外,RDH10的表达,一种酶,这种酶是至关重要的转换、视黄醇,展出急剧下降,这主要是由于反馈后,减少了大量的维生素a的睾丸。
肠道微生物群被认为是一种代谢器官,调节其宿主代谢。与此同时,大量的胆汁酸作为信号分子在代谢活跃的组织,如肠道代谢紊乱引起了极大的兴趣。此外,众所周知,肠道微生物之间的相互作用和胆汁酸并不是单向的。一方面,肠道微生物群的大小可以调节胆汁酸池和胆汁酸成分的比例。另一方面,胆汁酸是胆汁的主要成分之一;健康的浓度是必要的解散,脂质和脂溶性维生素的消化和吸收食物。使用KEGG通路分析,在目前的研究中,我们发现常见的微分代谢物肠道digesta地中海和HED组,与ND组相比,也主要富集在胆汁酸相关通路,这表明胆汁酸会影响维生素A的吸收。此外,胆汁酸水平的相关性分析和genus-level细菌显示CA, LCA和TUDCA紧密相关Ruminococcaceae_NK4A214_group。我们的研究表明,肠道微生物群的调制改变胆汁酸水平,进一步影响维生素A在宿主肠道吸收,维生素A的代谢异常是通过血液循环转移到睾丸,导致受损的大都会模型中的精子发生。因此,我们认为本研究可能有前途的大都会引起的男性不育症的治疗价值。
数据可用性声明
所有数据都包含在相关研究文章或作为补充信息上传。合理的请求数据。数据集生成和分析在此研究可从相应的作者以合理的要求。
伦理语句
病人同意出版
伦理批准
所有动物程序批准,依法进行了内蒙古大学动物保健和使用委员会。
确认
我们想感谢范高批判阅读手稿和贡献的讨论。我们也想感谢菲奥娜•史坦斯费尔德的批判阅读手稿。
引用
补充材料
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补充数据
仅这个web文件已经由英国医学杂志出版集团从一个电子文件提供的作者(年代)和没有对内容进行编辑。
脚注
TZ和PS同样起到了推波助澜的作用。
贡献者YZ设计和监督研究;TZ、PS、路上、高频、YG YH, LS和y进行实验和分析数据;YZ和TZ写的手稿;YZ、TZ和WS促成了手稿修改和讨论。所有作者阅读手稿和批准最后的手稿。
资金这项研究得到了国家自然科学基金(31900595 YZ;32000582 TZ), R的国家重点实验室开放项目2BGL (skl——它YZ - 201810;skl TZ - ot - 201903)。
相互竞争的利益没有宣布。
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