様々な高脂肪食がマウス腸内の遺伝子発現とマイクロバイオームに及ぼす影響
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公開日：2023年12月27日
様々な高脂肪食がマウス腸内の遺伝子発現とマイクロバイオームに及ぼす影響
https://www.nature.com/articles/s41598-023-49555-7
ホセ・マルティネス＝ロメリ、プーナムジョット・デオル、...フランシス・M・スラデック 著者一覧を見る
サイエンティフィック・リポーツ13巻、論文番号：22758 (2023) この論文を引用する
メトリクス詳細
要旨
高脂肪食（HFD）は、肥満、糖尿病、脂肪肝、炎症性腸疾患（IBD）、大腸がんなど、いくつかの疾患との関連が指摘されている。本研究では、脂肪酸組成のみが異なる3種類の等カロリーHFD（ココナッツオイル（飽和脂肪）、従来の大豆油（多価不飽和脂肪）、遺伝子組み換え大豆油（一価不飽和脂肪））が腸内遺伝子発現に及ぼす影響を調べた。マウスの腸管の4つの機能的に異なるセグメント（十二指腸、空腸、回腸末端、結腸近位部）をRNA-seqを用いて解析した。その中には、核内受容体をコードする遺伝子や、異種物質・薬物代謝、上皮バリア機能、IBD、大腸がんに関与する遺伝子、マイクロバイオームやCOVID-19に関連する遺伝子も含まれていた。ネットワーク解析によると、代謝に関わる遺伝子はHFDによって発現が増加する傾向がある一方、免疫系に関わる遺伝子は発現が減少している。ゲノム配列決定により、HFDによって変化したマイクロバイオームも明らかになった。この研究は、様々なHFDが腸の健康に及ぼす潜在的な影響を明らかにし、生物全体への影響を示唆するとともに、腸の長さに沿った遺伝子発現の参考となるであろう。
はじめに
過去数十年の間に、米国の平均的な食事はますます高脂肪・低繊維になってきた。また、アメリカ人が摂取する脂肪の種類にも変化がみられ、現在では多価不飽和脂肪（PUFA）を多く含む大豆油が食事脂肪源の大部分を占めている1。高脂肪食（HFD）は、マウスとヒトの両方において、肥満、糖尿病、インスリン抵抗性、脂肪肝、炎症性腸疾患（IBD）への罹りやすさなど、いくつかの疾患との関連が指摘されている2,3,4,5。また、腸内細菌叢6,7、小腸における生理的変化8、腸透過性、消化管疾患9にも影響を及ぼす。しかし、ほとんどの遺伝子発現研究は、腸の一部分または一度に1種類のHFDしか解析しておらず10,11,12、また一般的に、植物性不飽和油ではなく、飽和動物性脂肪を使った食事を用いている。
ここでは、RNA-seqを用いて、マウスの腸管の4つの機能的に異なるセグメント（十二指腸、空腸、回腸末端、結腸近位部）における遺伝子発現に対する3種類のHFDの影響を調べた。十二指腸は胃酸と食物の混合物を分解し、空腸は糖、アミノ酸、脂肪酸を吸収する。終末回腸はビタミンB12や胆汁酸などの残りの栄養素を吸収し、近位結腸は水分や塩分の吸収、短鎖脂肪酸（SCFA）の微生物産生の主要部位である。腸の4つの部分はすべて、異種物質および薬物代謝にも関与している13。
この研究で用いられたHFDは、ほとんどの実験的HFDが50-60％kcalの脂肪を用いるのに対し、脂肪からのカロリーが40％で、食物繊維が少ないという点で、現在のアメリカ人の食事と同等である14,15。最初の食事はココナツ油（飽和脂肪）、2番目は大豆油（53%リノール酸、LA、C18:2オメガ6）、3番目はオリーブ油に似た脂肪酸組成の遺伝子組み換え大豆油（74%オレイン酸C18:1、一価不飽和脂肪、MUFA）である。それぞれの飼料は、低脂肪（脂肪13％kcal）、高繊維質のビバリウム・チャウと比較された。RNA-seq解析の結果、小腸および大腸全体で、いくつかの核内受容体遺伝子やその他の転写調節因子、および異種生物／薬物代謝遺伝子の調節異常が明らかになった。上皮バリア機能、IBD、大腸がんに関与する遺伝子に顕著な調節異常がみられた。ネットワーク解析では、代謝遺伝子のアップレギュレーションが示され、興味深いことに、免疫系、特に世界的なCOVID-19パンデミックの原因であるSARS-CoV-2を含む細菌感染やウイルス感染に関わる多くの遺伝子でダウンレギュレーションが見られた。最後に、神経伝達物質とマイクロバイオームによるシグナル伝達に関連するいくつかの遺伝子の発現が調節され、ゲノム配列決定によりHFDによる腸内細菌の変化が明らかになった。
材料と方法
動物
動物の世話と処置は、カリフォルニア大学リバーサイド校のInstitutional Animal Care and Use Committee (AUP #20140014 )のガイドラインに従い、承認を得た。すべての動物はARRIVEのガイドラインに従い、前述3 のように扱った。すなわち、低脂肪（13%kcal）ビバリウム（VIV）チョウ、ココナッツオイル（CO、36%kcalはココナッツオイル由来、4%kcalは必須脂肪酸LAとα-リノレン酸（ALA）を供給するための大豆油由来）； CO＋大豆油（SO＋CO、ココナッツオイルから21％kcal、大豆油から19％kcalで、LAから10％kcalとなり、現在のアメリカ人の食事量に匹敵する16）；CO＋プレニッシュ大豆油（PL＋CO、SO＋COと同じだが、従来の大豆油をグラム当たり遺伝子組み換えの高オレイン酸大豆油プレニッシュ［デュポン・パイオニア社、IA州ジョンストン］に置き換えたもので、LAから1. 4%kcalのLAと14%kcalのオレイン酸が含まれている17）。を参照）。マウスの体重、耐糖能、インスリン抵抗性、脂肪肝などの代謝パラメータは、以前に報告されている3。試験終了時、動物はCO2吸入後、頚椎脱臼により安楽死させた。腸組織は直ちに摘出され、室温で24時間RNALaterに入れられた後、-80℃で保存された。
RNA-seq法
RNA配列決定（RNA-seq）用の組織は、十二指腸（DUO、胃十二指腸接合部のすぐ下流1cm）、空腸（JEJ、小腸の残りの部分のほぼ中央1cm）、終末回腸（TI、回腸-膀胱接合部のすぐ上流1cm）、および近位結腸（PC、回腸-膀胱接合部のすぐ下流1cm）であった。各組織（DUO、JEJ、TI、PC）からmiRNeasyキット（Qiagen, Inc. RNA Integrity Number (RIN)が7.8以上のPoly(A) + RNA (4 μg)をTruSeq Long RNA Sample Prep Kit (Illumina, San Diego, CA)を用いてシーケンスライブラリーを構築した。RNAライブラリーはBioanalyzerでRNAの完全性を確認し、等モル量でプールし、UCR Genomics CoreのIllumina HiSeq 2000でシーケンスし、50 bpペアエンドリードを作成した。Vivarium Chow食（VIV）については3つの生物学的複製を、3つのHFD（CO、SO + CO、PL + CO）についてはそれぞれ4つの複製を配列決定した。各生物学的複製で平均1,600万リードが得られた。生データはGene Expression Omnibus (GEO)で公開されており、アクセッション番号はGSE220302である。
RNA-seqデータの差次的遺伝子発現解析
リードは、STAR v2.5.0aを用い、デフォルトパラメータ18を用いてマウスリファレンスゲノム（mm10）にアライメントした。ライブラリーはunstrandedであったため、quantModeパラメータのGeneCountsオプションを使用してSTARで生のリードカウントを計算した。ライブラリーの正規化はEDASeq19で行い、GC含量に関するレーン内正規化はLOESS法で、レーン間正規化はNon-linear full quantile法で行った。EDASeqからの正規化因子はDESeq220による差次的発現解析に使用した。正規化されたリードカウント、FPKM（fragments per kilobase per million）、およびr-log（正規化対数変換）の結果は、ダウンストリーム解析用に生成された。
核内受容体、上皮バリア、IBD、大腸がん、マイクロバイオーム、COVID-19のヒートマップで使用した遺伝子のリストは、NCBIのウェブサイトから入手した（補足表S6）。RNA-seqデータから2つの食餌間で差次的に発現した遺伝子（DEG）（p-adj≤0.05）を同定し、R21のPheatmapパッケージを用いて作成したそれぞれのヒートマップに表示し、特に断りのない限り、プロットする前に行を正規化した。Pythonライブラリ "Plotly "は、個々の遺伝子の散布図を作成するために使用した22。PCA分析、棒グラフ、ベン図はPythonライブラリ「matplotlib」を用いて作成した。ボルケーノプロットは R23 の ggplot2 パッケージを用いて作成した。色の付いたスポットは、(p-adj≤0.05およびabs(Log2FC)≥0.05)のDEGであり、-Log10(p-adj)およびabs(Log2FC)≥1.5の上位95%の遺伝子が示されている。KEGG26およびReactomeパスウェイ27（FDR≦0.05）における異なる食餌および組織間のDEG間の潜在的な相互作用を解析し可視化するために、Cytoscape（バージョン3.8.2）25のStringApp24を使用した；StringAppにおける中程度の相互作用スコア0.4（0から1のうち）が必要であった。Mouse Genome Informatics (MGI) および GeneCards： Human Gene Databaseは、遺伝子の正式名称、機能、関連疾患の同定に使用した28,29。
マイクロバイオーム解析
細菌の収集プロトコール、DNA抽出、および細菌rRNA内部転写スペーサー（ITS）解析は、RNA-seqに使用したものと同じ、異なる飼料（VIV、SO、SO + CO、PL、PL + CO）を24週間与えた雄マウスの小腸または大腸から細菌を収集した以外は、既述の方法30で行った。OTU（操作的分類学的単位）の上位12属レベルのみを、各処置群における平均組成パーセンテージとしてプロットし、残りのOTUは「その他」でまとめた。マイクロバイオームのDNAシーケンスデータはSRA BioProject（アクセッション#PRJNA615924）で公開されている。
結果
雄性C57BL/6Nマウスに4種類の餌のいずれかを24週間与え、腸内の様々な部位における遺伝子発現を調べた（図1A）。低脂肪のビバリウム・チャウ（VIV）と、カロリーの40%を異なる植物油に由来させた3種類の高脂肪食（HFD）、すなわちココナッツ油（CO）、従来の大豆油（SO + CO）、およびLAが低くオレイン酸が高い遺伝子組み換え大豆油（PL + CO）であった（補足表S1）。これらのマウスの以前の解析から、大豆油食（SO + CO）、そしてより少ない程度ではあるがプレニッシュ食（PL + CO）は肥満、糖尿病、インスリン抵抗性、脂肪肝を誘発することが明らかになったが、等カロリーのCO食は他のHFDと同程度のカロリー摂取にもかかわらず、代謝への悪影響は最小限であった3。RNA-seqは、十二指腸（DUO）、空腸（JEJ）、回腸末端（TI）、および結腸近位部（PC）の4つの組織のそれぞれのセグメントで行われた。差次的発現遺伝子（DEGs）は、p-adjusted値が0.05未満で、絶対倍数変化が2以上（p-adj < 0.05およびLog2FC > 1.0）と定義された。DEG（p-adj＜0.05）は、Cytoscapeのネットワーク解析とKEGGおよびReactomeデータベースを用いてさらに解析した（図1A）。
図1
図1
腸の異なる部位にわたる遺伝子発現に対するHFDの影響の違い。(A）ワークフロー：C57Bl/6N雄性マウスを3週齢で離乳させ、通常のチャウ食（VIV）または3種類の高脂肪食（COココナッツオイル、SO＋CO大豆油濃縮、PL＋CO低LA大豆油（プレニッシュ）濃縮）のいずれかを与えた。各組織の1センチメートルを用いてRNA-seqを行った（丸で示した領域）。配列決定後の解析は指示通りに行った。VIVでは組織当たりN = 3、HFDでは組織当たりN = 4。飼料組成については補足表S1を参照。(B) 3次元主成分分析（PCA）は腸の異なる部位における食餌の影響の違いを示す。(C)腸の異なる部位における3種類のHFD vs VIV chowにおける発現差のある遺伝子（DEGs、up and down regulated）の数（p-adj≦0.05および絶対倍数変化≧2（abs(Log2FC)≧1））を示す棒グラフ。食餌間の遺伝子の完全な比較については補足表S2-S5を、最も調節異常のあった遺伝子のボルケーノプロットについては補足図S2を参照。(D)組織間の食餌比較におけるDEGの重複（p-adj < 0.05, Log2FC ≥ 1）を示すベン図。HFD間のベン図解析については補足図S1を参照。(E)腸の異なる部位における3つのHFD比較間の差次発現遺伝子(DEGs, up and down regulated)の数(p-adj≦0.05および絶対倍率変化≧2(abs(Log2FC))≧1)を示す棒グラフ。(F,G)示した食餌(VIV, CO, SO + CO, PL + CO)の腸の様々な部位におけるCyp2d26(F)とCyp2c55(G)の平均正規化リードカウントと標準偏差(SD)の折れ線グラフ。各組織における飼料間の有意な発現レベルの差はp-adj≤0.05で表し、以下のように示した：a（VIV vs CO）；b（VIV vs SO + CO）；c（VIV vs PL + CO）；d（CO vs SO + CO）；e（CO vs PL + CO）；f（SO + CO vs PL + CO）。追加のCyp、Gst、UGT遺伝子のヒートマップと折れ線グラフについては、補足図S3とS4を参照。
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HFDは薬物代謝遺伝子を含め、腸管全体で遺伝子発現を差動的に変化させる
60のRNA-seqデータセットの主成分分析（PCA）により、トランスクリプトームは主に組織に基づいてグループ化され、食餌群間の変動はより小さいことが明らかになった（図1B）。それにもかかわらず、3種類のHFDのいずれかを特定の組織内でVIVチョウと比較すると、かなりの数のDEGが同定された（図1C）。十二指腸（DUO）は、3つのHFD対VIVチョウの比較すべてにおいて、最も多くのDEGを示した（CO：513；SO＋CO：345；PL＋CO：483）。空腸（JEJ）も、十二指腸よりは少ないものの、かなりの数のDEGを有していた（CO：258；SO + CO：179；PL + CO：328）。一方、終末回腸（TI）は、SO + CO vs VIV chowを除いて、DEGの数が少なかった（CO：42；SO + CO：189；PL + CO：113）。対照的に、近位結腸（PC）は、COとVIVの比較で最も多くのDEGを示した（CO：293；SO＋CO：105；PL＋CO：68）（図1C）。ベン分析では、異なるHFDとVIVチャウの間のDEGの重複は中程度から最小であり、その範囲は十二指腸の188遺伝子から終末回腸の29遺伝子までであった（図1D）。これらの所見は、異なる脂肪からなる食餌が腸の特定のセグメントに異なる影響を与えることを示している。
3種類のHFDの各々を比較すると、CO vs. SO + COでは一貫して最も多くのDEGが得られた（DUO: 198; JEJ: 118; TI: 22; PC: 75）（図1E）。対照的に、CO vs. PL + COでは、43個のDEGを得た十二指腸を除く4つの組織すべてで、驚くほど少ないDEG数（2個から28個の範囲）を示した。HFD間の一対比較のベン分析では、3つの比較すべてでDEGの重複はなく、どの2つの比較間でも重複は比較的限られていた（補足図S1）。
ボルケーノプロット解析では、いくつかのチトクロームP450（Cyp）遺伝子を含む、様々なHFD対VIVチョウの比較で有意な倍数変化を示す個々の遺伝子が同定された（補足図S2）。例えば、Cyp2d26は近位結腸よりも小腸で高レベルに発現し、3つのHFDすべてで有意に発現が上昇した（図1F）。対照的に、Cyp2c55は小腸よりも近位結腸ではるかに高いレベルで発現し、HFDは有意には至らなかったが発現を減少させる傾向があった（図1G）。他のいくつかのCyp遺伝子(Cyp4a10、Cyp4a31、Cyp4a32、Cyp4f15、Cyp2j6、Cyp2j9)は、主に十二指腸で3つのHFDすべてによって発現が上昇したが、いくつかの遺伝子は空腸で1つ以上のHFDによって発現が低下した(Cyp2u1、Cyp2c29、Cyp4f16)(補足図S3)。他のCyp遺伝子とフェーズ2のUgtおよびGst遺伝子の発現も、VIVチョウと異なるHFDに応答して腸全体で変化し、比較的少数のフェーズ2遺伝子（例えば、Gstm1、Gsta4、Ugt1a9、Ugt1a7、Ugt2b36）にはごくわずかな影響しか与えず、多くのCyp遺伝子にはより大きな影響を与えた（補足図S4）。
腸管全体およびHFDに対する核内受容体の発現の違い
リガンド依存性転写因子の核内受容体（NRs）スーパーファミリーのいくつかのメンバーは、CYP遺伝子を制御することが知られており、腸管の発達と機能、およびIBDや大腸がんなどの病態において重要な役割を果たしている31,32。腸の様々な部位における相対的な発現を決定するために、VIV飼料を与えたマウスの4つの腸組織にわたる全48個のNRを非行正規化ヒートマップで比較し、参考として腸生理学に役割を果たすことが知られているいくつかの非NR転写因子（TF）（Ctnnb1、Hnf1a、Hnf1b、Polr2a、Prox1、Tcf7l2）を含めた。腸全体で最も高発現のNR遺伝子は、肝細胞核内受容体4α（Hnf4a）であり、その発現量はRNAポリメラーゼ2（Polr2a）を上回り、βカテニン（Ctnnb1）とほぼ同程度であった。この相対的な順序は3つのHFDでも維持された（補足図S5）。いくつかのNR遺伝子（例えば、Hnf4a、Nr1h4、Pparg）は、十二指腸や空腸では発現レベルが低く、腸管に沿っていくほど発現レベルが高くなる一方、他の遺伝子（例えば、Hnf4g、Vdr、Nr0b2、Ppara）は、腸の初期では比較的発現レベルが高く、後半になるほど発現レベルが低下する（図2B,C）。他の多くのNRのヘテロ二量体パートナーであるRxraのような他のNRは、4つの組織にわたって発現レベルがかなり一定しており、結腸近位部でのみ減少している（図2B）。
図2
図2
腸管全体およびHFDの違いによる核内受容体の発現の違い。(A)非行正規化ヒートマップは、VIVチョウを与えたマウスの全組織にわたる全48核内受容体(NR)のレベルを示し、十二指腸(DUO)のレベルでソートし、非NR転写因子(*)と比較した。3つの生物学的複製における正規化リードカウントを示す。JEJ Jejunum, TI Terminal Ileum, PC Proximal colon, 矢印は図中にプロットした遺伝子。相対発現の任意のスケールを示す。核内受容体の追加ヒートマップは補足図S5を参照。(B)選択した核内受容体の標準偏差(SD)付き正規化リードカウントを示した折れ線グラフ。a（VIV対CO）；b（VIV対SO＋CO）；c（VIV対PL＋CO）；d（CO対SO＋CO）のように、与えられた組織内で食餌間で有意に異なる遺伝子（p-adj≦0.05）を示す。(C）（B）と同様であるが、β-カテニン（Ctnnb1）について。
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最も高発現の上位4つのNRの中で、異なる食餌間で発現に差が見られたのはHnf4aだけであった。Hnf4aの十二指腸における発現は、3種類のHFDのいずれを与えたマウスでも、VIVチョウと比較して低下していた（図2B）。転写抑制因子として働くNr0b2（short heterodimeric partner, SHP）、胆汁酸受容体（FXR, Nr1h4）、ストレス反応に重要な役割を果たすグルココルチコイド受容体（GR, Nr3c1）はすべて、腸の少なくとも一部において、1つ以上のHFDでVIVチョウとの有意差を示した（図2B）。対照的に、Ctnnb1の発現には様々な食餌間で有意差は見られなかった。これは、HFDとWnt-β-カテニン経路の変異の両方がヒトにおける結腸がんの危険因子であることから、注目すべきことである（図2C）33。
最後に、内腔から体内への栄養輸送の調節に関与し、脂肪酸をリガンドとして持つことが知られているPPARを調べた。PpardとPpargは特定の組織内では食餌間で発現に有意差を示さなかったが、Pparaの発現は3つのHFDのすべてにおいて十二指腸と空腸で有意に増加した。また、十二指腸ではCO vs PL + COで、終末回腸ではSO + COまたはPL + CO vs VIV chowで発現が増加した（図2B）。
HFDは腸上皮バリア機能遺伝子の発現に影響する
健康な上皮バリアの形成と維持は腸の重要な生理的機能である。腸管バリア機能に対する食事の影響を解析するために、NCBIの444遺伝子のリスト（補足表S6）を用い、どの2つの食事群間でも有意に調節異常（p-adj < 0.05）である123遺伝子を同定した（図3A-D）。十二指腸では、異なる食餌間で最も多くの発現異常遺伝子（ほとんどがダウンレギュレート）が見られた（68遺伝子）。例えば、Ptk6 (Protein tyrosine kinase 6)、Cldn10 (Claudin 10)、Egf (epidermal growth factor)などである。対照的に、十二指腸ではCd36（cluster of differentiation 36）がPL + CO vs VIV chowで発現上昇を示し、NRのコアクチベーターPpargc1a（PPARG Coactivator 1 Alpha）は空腸を除く腸のすべての部位で1つ以上のHFDで発現上昇を示した（図3E）。PGC1AがHNF4AとPPARの共活性化因子34であることを考慮すると、Ppargc1の発現におけるこのような食事誘発性の変化は、NRに対するHFDの影響を増幅する可能性がある。
図3
図3
HFDは腸全体の上皮バリア機能遺伝子の発現に影響を与える。(A-D)低脂肪VIVチョウまたは3種類のHFDのいずれかを与えたマウスの腸の指示された部分における上皮バリア機能に関与する遺伝子のヒートマップ。2つの食餌間で有意差のある遺伝子を含む（p-adj≤0.05）。実線矢印は図にプロット；開矢印は次の図にプロット。相対発現のスケールは任意。遺伝子の全リストは補足表S6を参照。(E-G)選択した遺伝子の標準偏差(SD)付き正規化リードカウントを示した折れ線グラフ。ある組織内で飼料間で発現レベルが有意に異なる遺伝子（p-adj≤0.05）は以下のように示されている：a（VIV vs CO）; b（VIV vs SO + CO）; c（VIV vs PL + CO）; d（CO vs SO + CO）; f（SO + CO vs PL + CO）。
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空腸では、24のDEGのほとんどがVIVチョウと3つのHFDの間にあり、HFDの間にはほとんど差がなかった（図3B）。SCD1は飽和脂肪酸に二重結合を導入するデサチュラーゼ酵素である。
回腸末端部では、バリア機能に関連するHFDによる調節異常遺伝子が最も少なかった（18 DEG）（図3C）。最も発現が低下した遺伝子はResistin-like molecule (RELM) β (Retnlb)で、システインに富むサイトカインで、インスリン抵抗性、消化管線虫抵抗性、バリア機能、炎症への感受性35に関与している。Retnlbの発現は、回腸末端部（十二指腸と同様）において、3つのHFDのいずれによっても減少した（図6B参照）。回腸末端部は多くの細菌、ウイルス、その他の病原体を保有する腸の領域であるため、HFDによるRetnlbの発現低下は身体の防御機能を弱める可能性がある。近位結腸でHFDによる発現の差を示した注目すべき遺伝子のひとつに、IBD感受性遺伝子Ptpn11（CO vs VIVおよびSO + COで発現低下）があり、これは上皮バリア細胞の恒常性維持に関与するチロシンホスファターゼをコードしている36 (Fig. 3G)。
HFDはIBDおよび大腸がんに関連する遺伝子の発現に影響を及ぼす
IBD（141遺伝子中45遺伝子）および大腸がん（192遺伝子中51遺伝子）に関連する遺伝子の多くも、HFDによって有意な影響を受けた（図4A,Bおよび補足図S6）。興味深いことに、IBD関連遺伝子に関しては、回腸末端がHFDによって最も影響を受けた。これは、腸のこの部分がIBDの一種であるクローン病で頻繁に炎症を起こしていることと一致している（図4A）。Tlr2（Toll-like receptor 2）、Ripk3（receptor interacting serine/threonine kinase 3）、およびNox1（NADPH oxidase 1）はすべて、VIVチョウおよびCO食に比べ、SO＋CO食およびPL＋CO食で発現が減少した。一方、Slc22a4（溶質担体ファミリー）、Vnn1（バニン 1）、Faah（脂肪酸アミドヒドロラーゼ）、 Ndfip1（Nedd4 Family Interacting Protein 2）、Maf（bZIP 転写因子）は、2 種類の大豆油飼料で発現が増加した（図 4A,C,E）。HFDによって影響を受けた十二指腸および/または空腸の注目すべきIBD関連遺伝子には、HFDによって発現が低下したNADPHオキシダーゼファミリーのメンバーであるDuox2 (dual oxidase 2)、およびHFDによって発現が上昇した脂肪酸エポキシドを生理活性のあるジヒドロジオールに変換する酵素であるEphx2 (epoxide hydrolase 2)が含まれる(図4D)。大腸に特異的なIBD（すなわち潰瘍性大腸炎）に関連する遺伝子は、近位結腸では差次的に発現しなかった。
図4
図4
HFDは炎症性腸疾患（IBD）および結腸がんに関連する遺伝子の発現を変化させる。(A,B)低脂肪VIVチョウまたは3種類のHFDのいずれかを与えたマウスの回腸末端および結腸近位部それぞれにおけるIBDおよび結腸がんに関与する遺伝子のヒートマップ。2つの食餌間で有意差のある遺伝子を含む（p-adj ≤ 0.05）。組織あたりVivではN = 3、HFDではN = 4。実線の矢印はこの図にプロットしたもの、開きの矢印は次の図にプロットしたもの。相対発現の任意のスケールを示す。遺伝子の全リストは補足表S6を、IBDおよび結腸癌遺伝子の追加ヒートマップは補足図S6を参照。(C-G)IBDおよび結腸癌について、腸の様々な部位[近位結腸のみ(F)に示す]における選択遺伝子の標準偏差(SD)を伴う正規化リードカウントを示す折れ線グラフ。ある組織において、食餌間で発現レベルが有意に異なる遺伝子（p-adj ≤ 0.05）を以下のように示す：a（VIV vs CO）；b（VIV vs SO + CO）；c（VIV vs PL + CO）；d（CO vs SO + CO）。
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HFDはまた、酸化ストレスと炎症37に関与するパンテチナーゼであるVnn1やTnfsf10（腫瘍壊死因子リガンド・スーパーファミリー・メンバー10）を含む、結腸近位部（および腸の他の部分）のがん関連遺伝子の発現にも影響を与えた（図4E）。大腸がんに特異的で近位結腸でのみ変化する遺伝子としては、DNA修復酵素Mgmt (O-6-Methylguanine-DNA Methyltransferase)とParp1 (Poly(ADP-Ribose) Polymerase 1)、およびDNA損傷を含む細胞ストレスに対する応答のメディエーターであるMtorがあり、これらはすべて1種類以上のHFDによってダウンレギュレートされた。対照的に、T細胞の増殖を制御し、がん幹細胞のマーカーであるLy6a（Lymphocyte Antigen 6A）38、およびWntシグナル伝達経路に関与する有糸分裂活性の高い陰窩腸幹細胞の顕著なマーカーであるLgr5は、発現が上昇した（図4F）。最後に、大腸がんに関連するいくつかの遺伝子がHFDによって変化したが、これは小腸でのみであった。例えば、Ido1（インドールアミン2,3-ジオキシゲナーゼ1）はトリプトファン異化の第一段階および律速段階であり、抗菌および抗腫瘍防御、神経病理学および免疫調節に関与している。この3つはすべてHFDによってダウンレギュレートされた（図4G）。
ネットワーク解析により、HFDが代謝だけでなく免疫系にも影響を及ぼすことが明らかになった。
腸のさまざまな部位でHFDの影響を受ける経路をより詳細に理解するために、各組織で異なる食事比較におけるDEGのベン解析を行い、その後CytoscapeでStringappを行い、ReactomeまたはKEGGパスウェイデータベースを利用して遺伝子のネットワークを同定した（図5A、補足図S7A）。十二指腸では、CO vs. VIVの比較では発現が増加したが、SO + COでは増加しなかった遺伝子は、アミノ酸と脂質の代謝、および低分子の輸送経路に関与していた（図5B）。PL + CO vs VIVの比較では、特に脂肪酸が関与する代謝カテゴリーがさらに同定された（図5C）。対照的に、CO vs VIVの比較で十二指腸でダウンレギュレートされた遺伝子は、T細胞受容体（TCR）シグナルおよび自然免疫系に関連していた。一方、SO + CO vs VIVの比較でダウンした遺伝子は、膵臓分泌、化学発がん、リノール酸代謝および脂肪の消化吸収に関連する経路で見つかった（補足図S7B,C）。同様に、空腸では、脂肪酸伸長、アラキドン酸代謝およびPPARシグナル伝達、ペルオキシソーム（PL + CO vs VIV、図5D）および脂肪酸代謝およびフェーズI遺伝子（CO vs VIV、補足図S7E）を含む、特定のHFD vs VIVで多くの発現上昇遺伝子が見られた。対照的に、十二指腸と同様に、空腸でダウンレギュレートされた遺伝子は、免疫系、セカンドメッセンジャー分子、サイトカインシグナル伝達、単純ヘルペス感染に関連していた（SO + CO vs VIV、図5E、PL + CO vs VIV、補足図S7F,G）。SO＋COとCOの比較では、十二指腸では、酸化的リン酸化遺伝子がアップレギュレートされた一方で（補足図S7D）、ダウンレギュレートされた代謝経路（グリシン、セリン、スレオニン代謝を含む）、脂肪の消化吸収、膵臓分泌、レニン-アンジオテンシン系（RAS）、興味深いことにGABAシナプスと神経活性リガンド-受容体（図5F）が全く異なる組み合わせで得られた。最後に、単純ヘルペス感染、RIG-I様受容体シグナル伝達および細胞質DNA感知に関与する遺伝子のネットワークが、SO + CO vs CO比較で結腸近位部で低下していた（補足図S7H）。終末回腸では、調節異常遺伝子の間に有意なネットワークは見られなかった。
図5
図5
腸の各部位における様々なHFDとビバリウムチャウでの発現異同遺伝子（DEG）のネットワーク解析。(A) 各HFD（CO、SO + CO、PL + CO）と低脂肪ビバリウムチャウ（VIV）の間の差次的発現遺伝子（DEG）の一対比較のベン図（p-adj≤0.05）。(B-F) (A)のベン図の指示された部分の様々な組織でアップレギュレートまたはダウンレギュレートされたDEGのネットワーク。C1：CO対VIVでは発現異常であるがSO＋CO対VIVでは発現異常でない；S1：SO＋CO対VIVでは発現異常であるがCO対VIVでは発現異常でない；S3：SO＋CO対VIVでは発現異常であるがPL＋CO対VIVでは発現異常でない；P3：PL＋CO対VIVでは発現異常であるがSO＋CO対VIVでは発現異常でない。ネットワークはCytoscapeで同定した： ネットワークはCytoscape：Reactome（B-E）またはKEGG（F）で同定した。示されたパスウェイの個々のFDRが示されている。その他のネットワークについては補足図S7を参照。
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腸内細菌叢に対するHFDの影響
HFDはマイクロバイオームに影響を与えることが知られているので39、2つの食餌間で有意な発現異常が認められた21のマイクロバイオーム関連遺伝子（合計99のうち）のヒートマップを作成した（図6A）。Retnlbは他の組織と比較して近位結腸で一貫して高い発現を示し、上述のように、十二指腸と同様に終末回腸でも1つ以上のHFDによって発現が減少した（図6B）。パターン認識遺伝子であるTlr2 (toll like receptor 2)と、細菌、真菌およびウイルスに対する免疫に関与するNos2 (nitric oxide synthase 2)も、それぞれ終末回腸と十二指腸で1回以上のHFDにより発現が減少した(Fig. 6B)。
図6
図6
腸内細菌叢および関連宿主遺伝子に対するHFDの影響。(A)宿主のマイクロバイオーム反応に関与する有意な調節異常遺伝子のヒートマップ。2つの食餌間で有意差のある遺伝子を含む（p-adj≤0.05）。実線の矢印はこの図にプロットされている。相対発現のスケールは任意。遺伝子の全リストは補足表S6を参照。(B)選択した遺伝子の標準偏差(SD)付き正規化リードカウントを示した折れ線グラフ。ある組織内で飼料間で発現レベルが有意に異なる遺伝子（p-adj≤0.05）を以下のように示す： a（VIV対CO）；b（VIV対SO＋CO）；c（VIV対PL＋CO）。(C) 異なる飼料（CO, SO + CO, PL + CO, VIV）を摂取させたマウスの小腸または大腸における宿主関連腸上皮細胞から得られる細菌量の違いを示す分類群プロット。分類群プロット中の値は、指定された組織の腸上皮細胞から得られたIlluminaITS rRNA遺伝子の読み取り率である。
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HFDおよびVIVチャウの小腸および結腸のマイクロバイオーム解析から、多くの細菌種が存在し、それらの相対量は食餌に影響されていることが明らかになった（図6C）。小腸ではウレアプラズマ・カティ（Ureaplasma cati）、ツリシバクター属（Turicibacter sp.）、エリシペラトクロストリジウム属（Erysipelatoclostridium sp.）、大腸では腸内細菌科（Enterobacteriaceae）40,41,42,43であった。また、小腸ではHFD-セグメント化糸状菌(SFB)、大腸ではバクテロイデス(Bacteroides)とプレボテラ・オリス(Prevotella oris)といった、一般的に有益と考えられている細菌が顕著に減少していた44,45,46。バクテロイデス類は低脂肪食を摂取した健康な動物の腸内に多く存在することが知られているが、食餌の種類によって増減し47,48、特に他の組織に移行した場合には日和見病原体として作用する49。
COVID-19に関与する遺伝子の発現に対するHFDの影響
COVID-19は主に呼吸器系に影響を及ぼすが、腸管にも影響を及ぼし、下痢、炎症、敗血症性ショックを引き起こすことがある50。さらに、COVID-19に関連した下痢の患者は入院を必要とし、より重篤な感染症を経験する可能性が高い50。ヒートマップから、Ace2（アンジオテンシン変換酵素2）およびEnpep（グルタミルアミノペプチダーゼ）を含む、1つまたは複数のHFDによって調節異常となったいくつかのCOVID-19関連遺伝子（合計159のうち38）が明らかになった（図7A-D）（図7E）。結腸近位部では、両遺伝子ともVIVチョウと比較してHFDで有意な発現増加を示した。Slc6a19（ソリュートキャリアファミリー6メンバー19）は、回腸末端部において、PL＋COではVIVチョウに比べて発現の増加を示した（図7F）。対照的に、Tmprss2（膜貫通型セリンプロテアーゼ2）、Gzma（グランザイムA）、Irf1（インターフェロン制御因子1）、Stat1およびStat3（シグナル変換因子および転写活性化因子1/3）は、腸の様々なセクションにおいて、VIVチョウと比較して1つ以上のHFDで発現の減少を示した（図7G）。さらに、ネットワーク解析（図5F）でレニン-アンジオテンシン系（RAS）に同定された2つのCOVID-19関連遺伝子、Klk1とKlk1b5は、十二指腸でCO食により発現が上昇した（図7H）。カリクレインは血管系で重要な役割を果たす血清セリンプロテアーゼであり、COVID-1951,52の治療標的として提案されている。
図7
図7
HFDは腸管全域でSARS-CoV-2に関与する遺伝子の発現に影響を与える。(A-D)COVID-19に関与する有意な発現異常遺伝子のヒートマップ。2つの食餌間で有意差のある遺伝子を含む（p-adj≤0.05）。実線の矢印はこの図でプロットしたもの、開きの矢印は他の（主要な）図でプロットしたもの。相対発現の任意のスケールを示す。遺伝子の全リストは補足表S6を参照。(E-H)COVID-19に関与する指示された食餌の腸の様々な部位における選択された遺伝子の標準偏差(SD)を伴う正規化されたリードカウントを示す折れ線グラフ。ある組織内で飼料間で発現レベルが有意に異なる遺伝子（p-adj≦0.05）を以下のように示す：a（VIV vs CO）；b（VIV vs SO + CO）；c（VIV vs PL + CO）；d（CO vs SO + CO）。(I）示した宿主タンパク質とSARS-Co-V2ウイルスタンパク質との相互作用。(J) (E-H)と同様であるが、Srebf1について。
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HFDがCOVID-19の腸の健康に及ぼす影響をさらに調べるために、BioGRIDデータベース53を利用して、HFDによって調節異常となった宿主タンパク質とCOVID-19の原因物質であるSARS-CoV-2のウイルスタンパク質との相互作用を同定した。これらの相互作用には、ACE2、TMPRSS2、SREBPF1とウイルスSタンパク質、ACCA2、STAT3、SREBPF1とウイルスMタンパク質、STAT1、FASN、SREBPF1とウイルスNSPタンパク質が関与していた（図7I）。興味深いことに、Srebf1（ステロール制御エレメント結合転写因子1）の発現は、HFDに反応して十二指腸と空腸で有意に増加した。このことは、この宿主タンパク質とウイルスNSPタンパク質との相互作用の増加を促進している可能性がある（図7J）。
考察
我々の知る限り、これは腸の4つの異なるセクション（十二指腸、空腸、回腸末端部、結腸近位部）で実施され、3つの異なるHFDと標準的な低脂肪食を比較した初めての包括的なRNA-seq解析である。ここで用いたHFDは、アメリカ人が消費する脂肪量（40％kcal）に近く、アメリカで最も一般的な食用油である、LAを多く含む大豆油（SO）、LAは少ないがオレイン酸を多く含む遺伝子組み換え大豆油プレニッシュ（PL）、飽和脂肪酸のラウリン酸（C12:0）とミリスチン酸（C14:0）を主成分とするココナッツ油（CO）を配合したものである。重要なことは、SO＋CO食ではCO食に比べて、PL＋CO食よりも調節異常遺伝子の数が多かったことで、過剰なLAがオレイン酸よりも腸内遺伝子発現に大きな影響を与えることが示唆された（図1）。これらの結果は、肥満、糖尿病、大腸炎に関して我々が以前に観察したSOとプレニッシュの差次的効果と一致する3,4。
調節異常遺伝子の大部分は、代謝系（一般に増加）と免疫系（一般に減少）の2つのカテゴリーのいずれかに分類でき、大腸がん、炎症、IBDからリーキーガット、COVID-19を含む感染症に至るまで、様々な病態や疾患と関連している。また、エンドカンナビノイド、ドーパミン、セロトニン、γ-アミノ酪酸（GABA）、グルタミン酸、グリシンなど、神経伝達物質の代謝や輸送に関与する遺伝子もいくつか見られたが、これらはHFDによって調節不全となり、脳の健康に影響を及ぼす可能性がある。最後に、NRs、IRFs、STATs、SREBP1など、他のカテゴリーの遺伝子の発現を制御する役割を果たす可能性のある転写制御因子の変化が観察された（図8A）。これらを総合すると、我々の発見は、腸-微生物-脳の軸が、食べるものによって影響を受け、代謝や免疫機能だけでなく、脳の健康にも影響を及ぼす可能性があるという考えと一致する54。
図8
図8
HFDがマイクロバイオームと遺伝子発現に及ぼす影響の概要。(A)様々なHFDが腸管に沿って示された経路に影響を与え、疾患の発症に果たす役割の概要。SFA飽和脂肪酸、MUFA一価不飽和脂肪酸、PUFA多価不飽和脂肪酸。マイクロバイオームの画像はBiorender.comより入手。詳細は「考察」を参照。(B) 示した食餌（VIV、CO、SO + CO、PL + CO）を摂取した腸の各部位における、選択した腸内トランスポーターの正規化リードカウントを示す散布図。線は生物学的反復の平均。a（VIV対CO）； b（VIV対SO＋CO）； c（VIV対PL＋CO）； f（SO＋CO対PL＋CO）。(C)Bと同様であるが、VIV、SO + COおよびPL + CO食について、SO + CO食とPL + CO食の間のp-adjを示す。COの値は他の飼料よりも高かったが、範囲が非常に広かったため、プロットしなかった。
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HFDは脂肪酸および薬物代謝に関与する腸内遺伝子の発現に影響を与える
食事によって影響を受ける脂肪酸代謝に関与する遺伝子の最も良い例は、飽和脂肪酸を一価不飽和脂肪酸に変換するScd1であろう；これはCOによって空腸で10倍以上も発現が上昇する（図3）。その他の遺伝子としては、LAやその下流代謝産物であるアラキドン酸に影響を与える遺伝子があり、これらは炎症性プロセスに関連している（例えば、Cyp2c、Cyp2j、Cyp4a、Ephx2）（図5、補足図S7）。HFDにおけるEphx2の発現増加と一致して、我々は最近、SOを多く含む食餌が腸内のオキシリピンレベルの上昇を招き、バリア機能不全およびマウスの大腸炎感受性と相関することを示した4。アミノ酸代謝に関与する遺伝子の変化（図5）は、食餌がすべて同量のタンパク質を含んでいることから、あまり予想されていなかったが、それにもかかわらず、選択的なシグナル伝達経路に関与している可能性があり、興味深い発見であった。
異種物質および薬物代謝に関与する数多くの遺伝子の調節異常（補足図S2、S3、S4）は、食事が肝臓の第I相および第II相反応に影響を与えるという考え方55と一致するが、我々の知る限り、異なる食用油が腸の異なる部位でCyp、Gst、Ugt遺伝子の発現に影響を与えるという報告はこれが初めてである。例えば、Cyp2d26は複数のHFDによって発現が上昇する。ヒトのオルソログであるCYP2D6は、抗うつ薬、抗精神病薬、鎮痛薬、鎮咳薬、βアドレナリン遮断薬、抗不整脈薬、制吐薬28を含む多くの薬物を代謝することが知られている（図1）。これらの結果は、腸が薬物代謝において従来認識されていたよりも重要な役割を担っている可能性があること、そして食用油のような食生活の基本的な構成要素が変われば、健康に重要な影響を及ぼす可能性があることを示唆している。
HFDは免疫系、マイクロバイオーム、神経シグナル伝達に関与する腸内遺伝子の発現に影響を与える
腸は多くの外敵に対する防御の第一線であり、免疫機能において重要な役割を担っていることを考えると、1つ以上のHFDによって発現が低下した免疫系に関連する遺伝子が多数同定されたことは注目に値する。例えば、自然免疫（例えば、Retnlb、Reg3b）、サイトカインシグナル伝達（例えば、Ccl8、Ccl20、Ccl22、Tnfsf10）、パターン認識（例えば、Tlr2、Tlr3）に関与する遺伝子の調節異常が、外部病原体への曝露がなくても、異なるHFDに反応して観察された。RetnlbとReg3bはともに抗菌性を持ち、Reg3bはRetnlb35,56,57,58によって制御されている（図4、5、6）。
マイクロバイオームに対する食事の影響は、特に食物繊維とポリフェノール54,59の観点からよく確立されているが、さまざまな食事脂肪酸の影響についてはあまり研究されていない。われわれは3つのHFDすべてにおいて、炎症反応を亢進させることで知られる微生物群である小腸の腸内細菌群の増加を観察した60。対照的に、脂肪率61の上昇に関連する細菌であるTuricibacterの増加がみられたが、これはSO + COにおいてのみであり、この食餌がCOまたはPL + CO3よりも肥満を引き起こすことと一致していた。マイクロバイオームの変化が食餌の直接的な結果なのか、あるいは宿主免疫系の変化の結果なのかについては、さらなる調査が必要である。
腸内細菌叢の影響を受けることが知られているトリプトファン-セロトニン経路に関与する宿主遺伝子もまた、HFDによって調節異常を示した。例えば、神経伝達物質セロトニンを生成する酵素をコードするIdo1はHFDによって発現が低下した（図4）。対照的に、いくつかの神経伝達物質トランスポーターは1つ以上のHFDによって発現が上昇した-グルタミン酸トランスポーターSlc1a3、ドーパミントランスポーターSlc6a3、セロトニントランスポーターSlc6a4（図8B）、アミノ酸トランスポーターSlc38a3およびSlc38a5（図5）。これらのトランスポーターは、さまざまな中毒（アルコール、コカイン、ニコチンなど）、行動（注意欠陥多動性障害、ギャンブルなど）、疾患（神経炎症、てんかん、パーキンソン病、うつ病、運動失調症など）に関連することが知られているが、HFDによるこれらの遺伝子の調節異常が正味の生理学的効果をもたらすかどうかを明らかにするには、さらなる研究が必要である28,62。
Faahは3種類のHFDのいずれでも発現が大きく上昇し（図4）、2-アラキドノイルグリセロール（2-AG）やN-アラキドノイルエタノールアミン（AEA）などのエンドカンナビノイドやN-アシルエタノールアミンに対するヒドロラーゼである63。このことは、HFDが腸内のエンドカンナビノイドレベルの低下を引き起こす可能性を示唆しており、これは大豆油食で観察されたものと同じである4。SO＋CO食とPL＋CO食の間で調節異常が見られた遺伝子は合計55個に過ぎなかったが、高LA大豆油特異的遺伝子のいくつかは神経伝達物質のシグナル伝達に関与していた。例えば、グリシントランスポーターSlc6a9、GABAレセプターGabra4、適切な認知、言語、行動に重要なクレアチンの生合成に関与するアミジノ基転移酵素Gatmなどである。これらはすべて、低LA／高オレイン酸食（PL＋CO）と比較して、SO＋COで有意に発現が低下した（補足表S2-S5、図8C）。関連して、この研究で用いられたのと同じ食餌が視床下部のトランスクリプトームにも影響を与え、それらの遺伝子の多くが精神的健康に関連していることを以前に報告した64。
HFDは転写制御に関与する遺伝子の発現に影響する
異なる食餌脂肪が腸内の非常に多くの遺伝子の発現を変化させる可能性のあるメカニズムの一つは、脂肪酸を含む疎水性リガンドに反応する核内受容体（NR）を介したものである。食餌性脂肪が腸内のNRの転写活性に与える影響を評価することは、この研究の範囲外であるが、脂肪酸と結合する2つのNR-PPARαとHNF4α、およびSHP（Nr0b2）やPGC1A（Ppargc1a）などのNRコレギュレーターの発現変化が観察された（図2）。HNF4αは、十二指腸のPL＋COによってダウンレギュレートされ、LAと結合し、腸の健康、腸上皮の分化、バリア機能の維持に重要な役割を果たしている65,66,67。十二指腸でHFDにより発現低下するRetnlbは、HNF4 αの標的遺伝子として知られている65。対照的に、大腸がん70,71に対して保護的な役割を果たすことが知られているPPAR αは、長鎖脂肪酸トランスポーターでありPPAR αの標的であるCd36と同様に、小腸において3種類のHFDすべてによって発現が上昇した72。HFDによって調節不全となった転写因子ファミリーの中で他に最も顕著だったのは、インターフェロンシグナル伝達に関与するSTAT/IRF因子（Stat1、Stat3、Irf1、Irf5、Irf8）であった。最後に、Scd1を含む脂肪酸およびコレステロール代謝遺伝子の発現を制御するSREBPF1は、HFDによって発現が上昇し、COVID-19と関連する可能性がある（図7）73。
バリア機能、IBDおよび大腸がんに関与する遺伝子に対するHFDの影響
腸の疾病に関与する可能性のある一つまたは複数のHFDによって、多くの遺伝子の発現変化が観察された（図3、4）。多くの抗がん遺伝子（例えば、Casp3、Mgmt、Parp1、Ptpn11）の発現が減少し、またいくつかのがん促進遺伝子（例えば、Ly6a、Lgr5、Vnn1）の発現が増加した。HFDではDuox2の発現が減少していることから、対照食に比べて炎症反応が低いことが示唆され74、これは大腸がんの進行を食い止めるのに有益である可能性があり75、一方、回腸末端のRipk3の発現が減少していることから、IBDの炎症を緩和するのに役立つ可能性がある76。遺伝子発現におけるこれらの有益な変化のいくつかは、HFDによって引き起こされた炎症と闘うための身体の生理的反応によるものである可能性がある。いくつかの遺伝子はHFDによって異なる効果を示した。例えば、Cldn10とEGFはSO + CO vs PL + COで発現が低下している。これら両遺伝子の減少はバリア機能を損なう可能性があり、高LA食がバリア機能不全の一因となる一方、地中海食の重要な特徴であるオリーブ油は抗炎症性であるという我々の以前の報告と一致している4,77,78。
COVID-19関連遺伝子に対するHFDの影響
肥満はCOVID-19の重大な危険因子であり、COVID-19患者は腸管上皮バリアの損傷を含む消化器症状を経験することがある79,80。したがって、下部消化管にACE2レセプターが多数存在し、ACE281,82を介してウイルス侵入を促進するENPEPおよびSLC6A19をコードする遺伝子とともに、その発現がHFDの1つまたは複数で増加していることは、おそらく驚くべきことではないだろう（図7）。ACE2と同様に、Klk1とKlk1b5はRAS経路の一部であり、ウイルス処理に必要であると考えられている83。これらの結果は、SARS-CoV-2に対する免疫応答に関与するいくつかの宿主遺伝子（Gzma、Irf1、Stat1、Stat3）のダウンレギュレーションとともに、HFDがCOVID-19患者にとって有害である可能性を示唆している（図7）。
限界と注意点
食餌の摂取期間が24週間と長かったことから、観察された遺伝子発現の変化は、食餌に直接起因する可能性、および／または肥満、糖尿病、大腸炎への罹りやすさなどの長期的影響に起因する可能性がある2,3,4。3種類のHFDはいずれも食物繊維を欠いているが、遺伝子発現に対する影響はしばしば異なっており、観察された影響のすべてが食物繊維の欠乏によるものではないことが示唆された。全組織が使用されたので、腸上皮細胞に加えて、免疫細胞を含む他の細胞タイプもサンプリングされたはずである。シングルセルRNAseqは、HFDが実際に異なる細胞タイプに差のある影響を与え、その差は数日以内に観察できることを示している12。最後に、ヒトとの関連性を立証しなければならない。この研究で強調されたDEGのほとんどはマウスとヒトの間で高度に保存されており、転写調節因子のいくつか-HNF4 α、PPAR α、STAT1/3、IRF1、SREBPF1-はすべてタンパク質レベルでヒトとマウスの間で80％以上同一である。
データの利用可能性
本研究で作成または解析されたすべてのデータは、本論文およびその補足情報ファイルに含まれている。生のRNA-seqデータはGene Expression Omnibus（GEO）で公開されており、アクセッション番号はGSE220302である。マイクロバイオームのDNAシーケンスデータは、SRA BioProject、アクセッション番号PRJNA615924で公開されている。
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謝辞
NSF（MRI-2215705、MRI-1429826）およびNIH（1S10OD016290）の助成により、DuPontからプレニッシュオイルの提供、UCR Genomics CoreからRNAseqの実施、UCR High Performance Computing Center（HPCC）からコンピュータクラスタおよびデータストレージの提供を受けた。FMS、JB、TJにはUC Riverside Office of Researchから共同シードグラントとして、PDにはNIEHS T32 Training Grant (5T32ES018827)フェローシップとして、FMSにはUSDA National Institute of Food and Agriculture Hatch Project CA-R-BEU-5680-Hとして、FMSにはNIH grant R01DK127082として、JMLにはUC MEXUS-CONACYT博士フェローシップとして資金を提供した。
著者情報
著者メモ
これらの著者は同等に貢献した： Jose Martinez-LomeliとPoonamjot Deol。
著者および所属
Genetics, Genomics and Bioinformatics Graduate Program, University of California, Riverside, CA, 92521, USA（遺伝学・ゲノミクス・バイオインフォマティクス大学院プログラム、カリフォルニア大学リバーサイド校、カリフォルニア州、米国
ホセ・マルティネス＝ロメリ
カリフォルニア大学リバーサイド校分子・細胞・システム生物学科、カリフォルニア州、カリフォルニア州、92521、USA
ホセ・マルティネス＝ロメリ、プーナムジョット・デオル、ジョナサン・R・ディーンズ、フランシス・M・スラデック
カリフォルニア大学コンピューターサイエンス・エンジニアリング学部、カリフォルニア州リバーサイド、92521、USA
タオ・ジャン
統合ゲノム生物学研究所、カリフォルニア大学、カリフォルニア州リバーサイド、92521、USA
Tao Jiang、Paul Ruegger、James Borneman、Frances M. Sladek
カリフォルニア大学リバーサイド校微生物学・植物病理学教室、カリフォルニア州、カリフォルニア州、92521、USA
Poonamjot Deol、Paul Ruegger、James Borneman
貢献
この研究はP.D.、J.B.、F.M.S.、T.J.が計画した。実験はP.D.、F.M.S.、J.B.が行った、 原稿はJ.M.L.、P.D.、F.M.S.が執筆し、全著者が最終原稿を確認・承認した。
著者
Poonamjot Deolまで。
倫理申告
競合利益
著者らは競合する利益はないと宣言している。
追加情報
出版社からのコメント
シュプリンガー・ネイチャーは、出版された地図の管轄権の主張および所属機関に関して中立を保っている。
補足情報
補足図。
補足表S1.
補足表S2.
補足表S3.
補足表S4.
補足表S5.
補足表S6.
権利と許可
オープンアクセス 本論文は、クリエイティブ・コモンズ表示4.0国際ライセンスの下でライセンスされている。このライセンスは、原著者および出典に適切なクレジットを与え、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられた場合を示す限り、いかなる媒体または形式においても、使用、共有、翻案、配布、複製を許可するものである。この記事に掲載されている画像やその他の第三者の素材は、その素材へのクレジット表記に別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ・コモンズ・ライセンスに含まれています。この記事のクリエイティブ・コモンズ・ライセンスに含まれていない素材で、あなたの意図する利用が法的規制によって許可されていない場合、あるいは許可された利用を超える場合は、著作権者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを見るには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。
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Martinez-Lomeli,J.、Deol,P.、Deans,J.R.ら、様々な高脂肪食がマウス腸内の遺伝子発現とマイクロバイオームに及ぼす影響。Sci Rep 13, 22758 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-49555-7
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受領
2023年10月01日
受理
2023年12月09日
発行
2023年12月27日
DOI
https://doi.org/10.1038/s41598-023-49555-7
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