人类正面临着一种被统称为代谢综合征的相关代谢疾病的流行，其特征包括高血糖、高血脂、胰岛素抵抗、肥胖和肝脂肪变性(1). 人们普遍认为，代谢综合征发病率的增加是由于食物消耗增加和/或体力活动减少导致营养过剩所致。这种营养过剩会导致肥胖，并可能激活内质网应激途径，导致炎症前激酶级联的慢性激活，从而降低胰岛素的代谢反应(2). 这种胰岛素抵抗会导致高血糖，在某些情况下还会导致2型糖尿病。最近的研究表明肠道微生物群可能在肥胖中起作用(三)以及代谢综合征的其他方面。在人类和小鼠中，肥胖的发展与肠道中两个主要细菌门（即拟杆菌纲和厚壁菌属(4–6). 此外，研究表明，肥胖者肠道微生物群的转移(对象/对象)小鼠到无菌野生型（WT）受体导致受体脂肪量增加，由此推测肠道微生物群通过增加宿主从摄入食物中提取能量（卡路里）的能力来促进肥胖(7).
肠道微生物群是由环境和宿主遗传形成的，尤其是先天免疫系统，长期以来因其在防御病原微生物感染方面的作用而受到重视，现在被认为在调节肠道微生物群方面发挥着关键作用(8). 因此，除了在感染/炎症中的作用外，先天免疫可能在促进代谢健康方面发挥关键作用。Toll样受体（TLR）5是一种跨膜蛋白，在肠粘膜中高度表达，可识别细菌鞭毛蛋白。在之前对TLR5基因缺陷小鼠（T5KO小鼠）的研究中，我们发现10%的突变小鼠表现出严重的结肠炎，另外30%表现出结肠炎的大体和/或组织病理学证据(9). 其余60%的T5KO小鼠表现出广泛升高的促炎基因表达，但缺乏定义结肠炎的组织病理学特征；然而，我们观察到，到4周大时，这些小鼠的体重平均比其WT同窝小鼠高15%。为了消除T5KO和WT窝友中可能存在的潜在机会性病原体，并使其肠道微生物群与Jackson Laboratory（世界上最大的研究小鼠供应商）的小鼠肠道微生物群相似，我们通过将胚胎移植到从该供应商处购得的小鼠中，“重新培育”了T5KO小鼠(10). T5KO小鼠中微生物群的这种标准化大大减轻了其结肠炎的严重程度，并导致以轻度炎症为特征的更统一的表型(图S1)和肥胖().
T5KO小鼠出现肥胖。对T5KO小鼠和WT同窝小鼠进行20周的监测。(A类)身体质量(B类)MRI图像显示脂肪分布。(C类)代表性20周龄雄性小鼠的腹部照片。(D类)Fat-pad质量(E类)血清甘油三酯。(F类)血清胆固醇。(克)血压。（A）到（C）中的结果来自一个单独的实验(n个=20，10只雄性和10只雌性），代表六个以上不同组的小鼠。（B）中的结果代表了对具有中等窝重的小鼠进行的三项独立分析。（C）至（E）中的结果来自单个实验(n个=6）和代表性的几个实验。（G）比较组的结果(n个＝4）的小鼠，每只小鼠具有5至10个独立的测量值。*，P（P）< 0.05.
对这些再衍生小鼠的分析表明，在20周龄时，雄性和雌性T5KO小鼠的体重都比WT小鼠大20%(). 磁共振成像（MRI）显示T5KO小鼠全身脂肪量增加，内脏脂肪特别增加(). T5KO小鼠在20周龄时的附睾脂肪垫大约是同窝野生型小鼠的两倍大(). 脂肪量的增加与血清甘油三酯和胆固醇水平的大幅增加以及血压的升高有关()，特征通常与代谢综合征有关。体外分析显示T5KO脂肪组织中促炎细胞因子干扰素-γ（IFN-γ）和白细胞介素-1β（IL-1β）的生成高于WT脂肪组织(图S2)这表明，肥胖增加可能在使突变小鼠表现出的低度慢性炎症持续存在方面发挥作用。
接下来，我们检查了T5KO和WT同窝婴儿的血糖水平。禁食一晚（15小时）后，T5KO小鼠的血糖相对于WT同窝鼠表现出轻微但具有统计学意义的升高(). 与血糖控制轻度丧失一致，当给T5KO小鼠注射葡萄糖时，其恢复血糖至基线水平的能力受损(). 与T5KO缺乏对葡萄糖稳态的适度影响相反，T5KO-小鼠的基础胰岛素水平显著升高()，以及葡萄糖激发产生的胰岛素量(). 与WT小鼠相比，T5KO小鼠对外源性胰岛素的反应也降低()所有特征都与胰岛素抵抗状态相一致。相应地，T5KO小鼠的血清脂肪因子脂蛋白-2水平升高(图S1E)促进胰岛素抵抗(11)胰岛素免疫染色阳性的胰岛数量和大小增加(和图S3). 这些数据表明，T5KO小鼠的血糖控制轻度下降，这可能是由胰岛素抵抗引起的，部分由代谢综合征患者常见的胰岛素分泌增加的情况所补偿。
T5KO表现出高血糖/胰岛素抵抗。对20周龄T5KO和WT同窝小鼠进行葡萄糖稳态的各种参数分析。(A类)15小时空腹血糖。(B类)葡萄糖耐量试验。小鼠腹腔注射葡萄糖（每公斤体重2克）。(C类)禁食5小时后的血清胰岛素。(D类)葡萄糖（3 g/kg体重）激发前和激发后2.5分钟的血清胰岛素水平。(E类)胰岛素敏感性。小鼠禁食5小时，并腹腔注射胰岛素（1.0 U/kg体重）。(F类)苏木精和伊红（H&E）染色的胰腺被盲目地对胰岛的大小和数量进行评分。（A）、（C）和（F）中的结果来自单个实验(n个=12至13），代表六个以上不同组的小鼠。（B）、（D）和（E）中的结果来自单个实验(n个=6）和几个实验的代表。*，P（P）< 0.05.
人们认为高饱和脂肪饮食会促进人类代谢综合征的发展。为了研究这种饮食对T5KO小鼠代谢综合征的影响，我们用高脂饮食喂养小鼠8周。正如预期的那样，食用这种食物的WT和T5KO小鼠的体重和脂肪酸含量都显著增加(图S4、A和B). 这两种基因型的小鼠的血清甘油三酯、胆固醇、瘦素和胰岛素水平也升高(图S4、C至F). 与WT小鼠相比，大多数高脂肪饮食的T5KO小鼠的空腹血糖浓度>120 mg/dL，表明它们已经患有糖尿病(). 高脂肪喂养的T5KO小鼠的胰岛也出现炎症浸润()并显示肝脏脂肪变性，这是代谢综合征的严重表现(). 因此，高脂饮食加剧了T5KO小鼠表现出的代谢综合征。
T5KO代谢综合征依赖于吞咽过度。(A类和B类)给4周龄的WT和T5KO小鼠喂食高脂肪饮食8周。（A） 15小时空腹血糖。（B） H&E染色胰腺（P，上面板）和肝脏（L，下面板）。箭头指向炎症浸润。(C类)对定期饮食的小鼠的食物摄入量进行监测。(D类到克)对小鼠进行食物限制，并测定（D）体重和（E）脂肪垫质量。（F）15小时空腹血糖。（G） 胰岛素敏感性测量如所述。（A）和（B）中的结果来自单个实验(n个=5至6），代表两个独立实验。（C）中的结果来自单个实验(n个=6），代表了几组小鼠的类似结果。（D） 到（G）来自单个实验(n个=10）并且代表两个独立的实验。*，P（P）< 0.05.
接下来，我们研究了食物摄入的变化是否有助于T5KO小鼠代谢综合征的发生。我们发现T5KO小鼠的食物摄入量比WT同窝小鼠多10%左右()同时，大便量增加(图S5). 对T5KO和WT粪便进行的炸弹热量测定和短链脂肪酸分析表明，TLR5的损失不会显著影响膳食能量获取效率(图S6). 我们检测了主要促食欲激素（胃饥饿素和神经肽Y）和厌食激素（瘦素和GLP-1）的血清水平，但这些实验并没有对T5KO小鼠的高吞噬表型提供确切的机制见解(图S7). 为了探讨吞咽过度在T5KO小鼠代谢异常中的作用，我们进行了食物限制实验。从4周龄开始，WT和T5KO小鼠组不再被给予无限量的食物，而只被给予随意喂养的WT小鼠对照组所消耗的食物量。12周的限食治疗可防止T5KO小鼠出现许多正常的代谢异常，包括体重和脂肪-脂肪-脂肪重量增加以及血糖、血脂和胰岛素水平升高(，以及图S8). 然而，这种瘦T5KO小鼠对外源性胰岛素的反应仍然下降()这表明他们的胰岛素抵抗并不完全依赖于食物摄入的增加或肥胖。鉴于胰岛素抑制食物摄入(12)这些结果增加了T5KO小鼠中低级促炎信号转导的可能性(9)减弱胰岛素信号，导致食物摄入增加，从而导致代谢综合征的其他表现。
根据脂多糖（LPS）受体TLR4促进饮食诱导的代谢综合征的观察结果(13,14)T5KO结肠炎需要TLR4(9)，我们假设TLR4可能介导T5KO小鼠表现出的代谢综合征。然而，TLR2或TLR4缺陷的小鼠TLR5的缺失仍然产生代谢综合征的特征(图S9和S10)，反对这种可能性。缺少MyD88的小鼠没有模仿T5KO小鼠表现出的代谢综合征(图S11)，表明另一种TLR（除TLR2或TLR4外（除TLR3外的所有TLR均使用MyD88））和/或非政治性T5KO小鼠中IL-1β和IL-18水平升高的细胞因子的作用(9)并且其受体以MyD88依赖的方式发出信号。我们还观察到，缺乏T和B淋巴细胞的RAG1缺陷小鼠中TLR5的丢失仍会导致葡萄糖调节受损(图S12)这表明T5KO代谢综合征的发展不需要适应性免疫。
接下来，我们考虑了以下假设：TLR5缺失导致的肠道微生物群改变会促进这些小鼠代谢综合征的发展。为了研究这种可能性，我们在T5KO小鼠断奶后给其服用广谱抗生素12周。正如之前在无菌小鼠中观察到的那样，这种治疗将肠道总细菌负荷降低了90%，并导致盲肠扩大(图S13). 与高脂饮食诱导代谢综合征小鼠的观察结果类似(13)，我们观察到肠道微生物群的减少纠正了T5KO代谢综合征，与同样治疗的WT小鼠相比(，以及图S14). 接下来，我们通过对盲肠中16S核糖体RNA（rRNA）基因进行焦磷酸测序，确定TLR5缺失改变微生物群组成的程度。我们总共生成了22712个16S rRNA部分基因序列(15). 样品中细菌门的相对丰度与其他研究报告的相似(厚壁菌属, 54%;拟杆菌纲, 39.8%;变形杆菌属, 1.1%;特内里库特斯,放线菌门,TM7公司，以及疣状克罗地亚，<序列的0.2%）。与我们所看到的相比对象/对象我们发现T5KO和WT小鼠的肠道细菌群落具有相似的相对丰度厚壁菌属和拟杆菌纲然而，UniFrac分析基于相似群落是在整个系统发育树中占有较大比例的群落这一前提对细菌群落进行比较(16)表明T5KO和WT同窝小鼠的肠道菌群在物种组成上存在显著差异(图S15). 此外，尽管小鼠（和人类）典型的物种多样性存在显著的个体间差异，但我们观察到不同门的116个细菌门型在T5KO小鼠中相对于WT小鼠持续增加或减少(图S16和S17，以及表S1和S2). 因此，与对象/对象肥胖小鼠模型中，微生物群的改变以藻水平的改变为特征，没有特定物种的扩增或丢失，这里我们已经确定了一组特定的细菌物种，其丰度因TLR5的丢失而改变。这些门型是鼠肠道细菌的典型类型，与通过对人类肠道微生物群的培养无关分析鉴定的各种肠道细菌有关(表S3).
T5KO肠道微生物群对于将代谢综合征表型转移到无菌小鼠来说是必要且充分的。(A类到C类)将4周龄T5KO小鼠和WT同窝小鼠放置在广谱抗生素上，并监测12周。（A） 15小时空腹血糖。（B） 食物摄入。（C） Fat-pad质量(D类到H（H）)对4周龄的WT无菌小鼠灌胃给予来自WT或T5KO小鼠的盲肠内容物，并监测7周。（D） 食物摄入量表示为移植后10至13天每只小鼠每天的平均摄入量。（E） 体重。（F）脂肪垫质量。（G）胰岛素敏感性。（H） 结肠肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和IL-1β。（A）至（C）中的结果来自单个实验(n个=5至6）和两个独立实验的代表（其他如图S14). （D）至（H）中的结果来自单个实验(n个=5至6）.*，P（P）< 0.05.
大多数肠道细菌无法培养，这使得评估它们在健康和疾病中的因果作用在技术上具有挑战性。为了研究肠道微生物群的变化是否是T5KO小鼠代谢综合征的原因或后果，我们将T5KO-微生物群移植到WT无菌小鼠中，与新生小鼠一样，WT无菌鼠可以以保留转移生物复杂组成的方式被多种微生物群定殖(17). 原则上，宿主体内存在的任何肠道微生物微生态失调都会转移到受体身上(7,18). 我们发现，移植的T5KO微生物群将T5KO表型的许多方面赋予了WT无菌宿主，包括吞咽过度、肥胖、高血糖、胰岛素抵抗、阴道扩张和促炎细胞因子水平升高(，以及图S18). 这表明在T5KO小鼠中观察到的肠道微生物群变化可能是小鼠代谢综合征发生的一个促成因素。
总之，我们已经证明TLR5的缺失会导致表型令人想起人类代谢综合征。潜在的分子机制尚待确定，但我们推测TLR5的缺失会导致肠道微生物群发生改变，从而诱发低度炎症信号。这种信号可能反过来交叉脱敏胰岛素受体信号，导致吞咽过度，进而驱动代谢综合征的其他方面(图S19). 我们的结果表明，个体首次接触的微生物群落的特定组成可能是早期环境对代谢表型产生持久影响的重要手段。他们还认为，导致目前流行的代谢综合征的过量热量摄入可能是由宿主-微生物相互作用的改变引起的，至少部分是这样。
