金樱子低分子量多糖的结构分析及其对高脂膳食大鼠脂代谢和肠道菌群的影响

来源 :湖南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Einsun19791217
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金樱子(Rose laevigate Michx.),是蔷薇科多年生灌木,其果实是药食两用的中药材,具有抗氧化、抗细胞凋亡、抗炎、抑制动脉硬化和保肝护肝等功效。金樱子多糖(R.Laevigatae fruits polysaccharides,RLP)是金樱子的主要有效成分。然而,多糖的生物活性与其化学结构、分子量和单糖组成密切相关。高分子量多糖(分子量大于10 k Da)由于其表观粘度高、水溶性差、结构和构象复杂而限制了其应用。而低分子量多糖(分子量小于10 k Da)据报道具有较高的活性,对人类健康具有更大的意义。低分子量多糖的分离是近年来多糖研究的热点。目前,尚未见有关金樱子低分子量多糖的分离纯化、生物活性及其分子作用机制的系统及全面研究。本文以金樱子果实为原料,对金樱子低分子量多糖的提取、分离纯化、结构鉴定、抗氧化活性进行了系统的研究。同时,以高脂膳食大鼠为研究对象,综合运用组织学、转录组学、宏基因组学、生理生化与分子生物学等实验技术,对金樱子低分子量多糖是否具有调节脂代谢和肥胖发展作用进行探讨,并进一步分析其潜在的分子机制与其肠道菌群变化的关联性,全文主要研究内容与结果如下:(1)金樱子多糖的提取、分离与纯化本研究利用响应面分析法对金樱子多糖热水提取参数进行了优化,在优化条件下(提取温度93℃,提取时间2.8 h,料液比1:22,提取次数3次),金樱子粗多糖的提取率为9.61±0.08%,与理论预测值9.56%基本一致。证明利用响应面分析法对金樱子多糖热水提取条件的优化准确有效。此外,对金樱子多糖提取液进行分离纯化得到5种金樱子多糖组分(RLP-1a、RLP-2a、RLP-3a、RLP-4a和RLP-5a)。其中RLP-1a、RLP-2a、RLP-3a分子量分别为9004 Da、8761 Da、7571 Da,是3种组分均一化的纯化多糖,RLP-4a由分子量为87679 Da(92.52%)和3696 Da(7.48%)两个组分组成,RLP-5a由分子量为59664 Da(13.75%)和4463 Da(86.25%)两个组分组成。(2)金樱子低分子量多糖的结构解析与体外抗氧化活性研究对分子量均小于10 k Da的低分子量金樱子纯化多糖(RLP-1a、RLP-2a和RLP-3a,)作进一步的结构分析。紫外光谱表明3种多糖不含蛋白质、多肽和核酸等杂质。红外光谱表明3种多糖组分都具有多糖特征吸收峰。由单糖组成分析可知RLP-1a主要由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、半乳糖组成,摩尔比分别为3.14:8.21:1:1.37:4.90;RLP-2a主要是由鼠李糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖组成,摩尔比分别为1.70:1:93.59:2.73;RLP-3a主要由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖组成,摩尔比分别为6.04:26.51:2.05:1:3.17:31.77。核磁共振分析结果表明RLP-1a、RLP-2a和RLP-3a分别含有6种、4种和6种糖苷键。此外,RLP-1a和RLP-3a比RLP-2a具有更高的体外抗氧化能力。(3)金樱子低分子量多糖对高脂膳食大鼠脂代谢的影响以高脂膳食大鼠为研究对象,运用组织学、生理生化与分子生物学等实验技术,研究金樱子低分子量多糖(RLP-1a、RLP-2a和RLP-3a,合称RLPs)对SD高脂膳食大鼠体内血糖、血脂、炎性因子、肝功能及脏器指数的影响。经RLPs干预喂养12周后,高剂量组(HRLP)和低剂量组(LRLP)可显著提高高脂膳食大鼠的口服糖耐量,降低空腹血糖水平以及胰岛素抵抗指数。同时,HRLP组的Lee’s指数、腹围和肝脏指数分别下降了4.32%、15.21%和20.97%,升高其血清HDL-c(35%)水平以及TG、TC、FFA和LDL-C水平分别降低16.3%、47.0%、27.8%和14.8%,从而有效抑制高脂膳食SD大鼠体重的增加。RLPs降低了血清谷丙氨转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)和γ-谷氨酰转肽酶(GGT)含量,有效缓解了高脂膳食引起的肝功能受损。RLPs升高了肝脏超氧化物歧化酶(SOD,34.7%)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px,39.9%)和过氧化氢酶(CAT,31.2%)的活性,以及显著降低了高脂膳食引起的促炎细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和MCP-1水平,改善机体内氧化应激环境和炎症,降低脂质过氧化物和氧化应激造成的损伤。此外,RLPs能够维持肝脏组织的正常形态,防止脂肪性变性。(4)金樱子低分子量多糖对高脂膳食大鼠肝脏相关脂代谢基因表达的影响通过转录组学(RNA-Seq)分析,本论文发现相对高脂膳食组(HFD),HRLP组共有1109个差异基因,然后采用GO(Gene ontology)分析发现金樱子多糖可以显著调节糖脂代谢相关的生物学过程,进一步采用KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)分析发现差异基因主要在过氧化物酶体增殖物激活受体(Peroxisome proliferator-activated receptors,PPARs),甾体生物合成,细胞色素P450的外源物质代谢,非酒精性脂肪肝病等与糖脂代谢相关联的信号通路。金樱子低分子量多糖(RLPs)激活了PPAR信号通路,上调了不饱和脂肪酸合成基因Fads2,Scd-1的表达,抑制肝脏脂质积聚;以及上调脂肪酸β-氧化的限速酶Acox3基因的表达,促进脂肪酸的分解,减少脂肪在肝脏中的积累。此外,在非酒精性脂肪肝病信号通路中,RLPs显著下调了混合功能氧化酶Cyp2e1的基因表达,减少ROS的产生,减轻持续氧化应激,从而减轻非酒精性脂肪肝疾病的肝脏氧化应激损伤和炎症。q RT-PCR验证结果与RNA-Seq结果趋势一致。(5)金樱子低分子量多糖对高脂膳食肠道菌群及其代谢产物的影响通过对各组大鼠的粪便样品进行16S r DNA和全宏基因组测序,发现RLPs干预12周后,修复了高脂膳食大鼠肠道菌群失调,增加了高脂膳食大鼠肠道微生物的丰富度。在门水平上,降低了厚壁菌门/拟杆菌门的比值;在属水平上,降低了以有害菌为主的梭菌属以及可能促进非酒精性脂肪肝发展的布劳特氏菌属,罗氏菌属和多尔氏菌属等厚壁菌门细菌相对丰度,升高了与代谢综合症和糖尿病呈负相关的另枝杆菌属(Alistipes),Butyricimonas菌属和普氏菌属(Prevotella)等拟杆菌门细菌相对丰度。此外,还升高了在预防肥胖、胰岛素抵抗和肠道炎症方面发挥关键作用的Akk菌属(Akkermansia)和产短链脂肪酸(SCFAs)的有益菌拟杆菌属(Bacteroides)的相对丰度。斯皮尔曼(Spearman)相关性分析表明,厚壁菌门乳酸杆菌属,密螺旋体门螺旋体属,以及拟杆菌门的毛螺科菌属、普氏菌属和拟杆菌属等细菌与肥胖表型、肝功能和炎症因子水平等大部分指标呈显著负相关,与肝脏抗氧化酶活性水平等指标呈显著正相关。梭菌属、多尔氏菌属、Gemmiger菌属和Flavonifractor菌属等厚壁菌门细菌与肥胖表型、肝功能和炎症因子水平等大部分指标呈显著负相关,与肝脏抗氧化酶活性水平等指标呈显著正相关。肠道微生物的代谢产物是其与宿主发生互作的关键因素。采用气相色谱-质谱联用技术测定粪便中短链脂肪酸(SCFAs)含量。研究结果表明,相对HFDF组,RLPs干预12周后,HRLPF组大鼠粪便中丙酸(131.82%)、丁酸(222.22%)、异戊酸(130.77%)和戊酸(190.32%)的含量显著增加(P<0.05)。上述研究结果表明:金樱子低分子量多糖可调节高脂膳食大鼠肠道微生物菌群组成,增加SCFAs等肠道微生物代谢产物的含量,可为进一步阐明低分子量金樱子多糖调节炎症因子、肠渗透性、葡萄糖代谢、脂肪酸的氧化、合成和能量代谢以及多菌协同合作参与调控宿主脂代谢相关信号通路的活性和抑制肠道中病源微生物的生长,减缓高脂膳食大鼠肥胖的发展提供理论依据。
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