High-fat diet-induced oxidative stress links the increased colonization of Lactobacillus sakei in obesity population

Abstract

비만은 다양한 만성 질환의 위험 인자로 전세계적으로 발생률이 계속 증가하고 있는 중요한 공공 건강 문제이다. 비만과 장 내 공생 미생물 간의 관련성에 대한 연구는 최근 들어 활발히 이루어지고 있으며, 이 중 비만한 집단의 장에서 일부 락토바실러스 균 종의 검출률이 증가하였다는 연구가 수차례 발표된 바 있어, 락토바실러스 균이 비만에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 관심이 지속되고 있다. 하지만 아직 락토바실러스 균과 비만과의 관련성의 인과 관계나 기전은 잘 알려지지 않았다. 본 연구에서는 64명의 비만하지 않은 건강한 대조군과 80명의 비만군의 대변을 분석하여, 비만 관련 락토바실러스 균 종을 조사하였다. 그 결과 락토바실러스 사케이균이 비만군의 대변에서 더 많이 검출되었으며, 이는 비만과 관련된 여러 인자 중 고지방 식이로 유도된 산화 스트레스 발생량과 유의미한 상관 관계를 갖고 있었다. 우리는 비만 집단에서 수집한 대변에서 한 종류의 락토바실러스 사케이 균을 분리 동정하여, 이를 락토바실러스 사케이 ob4.1 로 명명하고, 이 균의 유전적, 분자생물학적 특성을 표준 대조 균주로 이용되는 락토바실러스 사케이 DSM 20017 균주와 비교하였다. 그 결과 락토바실러스 사케이 ob4.1 균은 상대적으로 산화 스트레스에 대한 높은 저항 능력을 가지고 있었으며, 이 능력은 산화 스트레스 자극에 반응하여 유전자 전사 단계에서 조절되는 것을 확인하였다. 또한 산화 스트레스 자극이 존재하는 환경에서 표준 균주와 비교하여 더 높은 장 상피 부착률을 보여, 산화 스트레스가 증가된 장 내 환경에서 장 내 생착률이 높을 가능성을 보여주었다. 포화 지방산을 이용하여 장 상피 세포를 자극한 결과, 포화 지방산이 투여된 농도에 비례하여 장 상피의 산화 스트레스가 증가함을 확인하였으나, 락토바실러스 사케이 ob4.1 균의 투여가 산화 스트레스 양의 변화에는 관여하지 않았다. 마지막으로, 고지방을 투여하여 비만을 유도한 마우스에, 락토바실러스 사케이 ob4.1균 및 DSM 20017 균을 투여한 후 장 내 검출량을 비교한 결과, 락토바실러스 ob4.1균의 상재율이 DSM 20017균에 비해 증가함을 확인하였다. 고지방 식이는 마우스의 체중 및 장 내 산화 스트레스양을 유의미하게 증가시켰으나, 4주간의 락토바실러스 사케이 ob4.1균의 투여는 마우스의 체중 변화나 산화 스트레스 량의 변화에는 영향을 주지 않았다. 이러한 결과는 고지방 식이로 인해 유도된 산화 스트레스 증가라는 장 내 환경의 변화가 상대적으로 산화 스트레스에 대한 저항력이 높은 락토바실러스 사케이 균주의 장 내 생존 및 생착 확률을 높여, 락토바실러스 사케이 균이 비만에서 더 높은 검출률을 보여주었을 가능성을 시사해주고 있다.

Obesity is a major public health problem related to various chronic health conditions. Lactobacillus species has been reported in obese individuals; however, its role is unknown. We compared the abundance and composition of Lactobacillus species by analyzing feces from 64 healthy control subjects and 88 obese subjects. We isolated one Lactobacillus strain from the feces of a subject with obesity and further analyzed its genetic and molecular features. We found that an increased abundance of Lactobacillus sakei distinguished the fecal microbiota of the obese group from that of healthy subjects and that it was related to the increased levels of reactive oxygen species (ROS) induced by higher fat intake. The L. sakei ob4.1 strain, isolated from the feces of a subject with obesity, showed high catalase activity, which was regulated by oxidative stress at the gene transcription level. L. sakei ob4.1 maintained colon epithelial cell–adhesion ability under ROS stimulation, and treatment with saturated fatty acid increased colon epithelial ROS levels in a dose-dependent manner; however, L. sakei ob4.1 did not change the level of fat-induced colon epithelial ROS. Exposing mice to a high-fat diet revealed that high-fat diet–induced colon ROS was associated with the increased colonization of L. sakei ob4.1 through catalase activity. Four-week supplementation with this strain in mice fed a high-fat diet did not change their body weights or ROS levels. A high-fat diet induces changes in the colon environment by increasing ROS levels, which provides a colonization benefit to an L. sakei strain with high catalase activity.