全球2型糖尿病流行是一场重大的健康危机。尽管微生物组在胰岛素抵抗（IR）、低度炎症和糖尿病的发病中发挥作用，但控制这些过程的微生物化合物仍有待发现。本文研究表明，微生物代谢产物三甲胺（TMA）通过抑制白细胞介素-1受体相关激酶4（IRAK4）——Toll样受体通路中感知危险信号的核心激酶，将炎症和IR与饮食诱导的肥胖解耦。TMA减弱了原代人肝细胞和外周血单核细胞中的TLR4信号传导，并在脂多糖诱导的败血症休克后挽救了小鼠的生命。通过基因敲除和化学抑制IRAK4，在高脂饮食下可改善代谢和免疫状况。值得注意的是，作者的研究结果表明，与导致心血管疾病的肝脏共代谢产物三甲胺N-氧化物（TMAO）不同，TMA可改善饮食诱导肥胖的免疫状态和血糖控制。总之，本研究支持了激酶组在微生物-哺乳动物化学交流中新兴的作用。
1、 胆碱补充可纠正高脂饮食（HFD）诱导的炎症和胰岛素抵抗（IR）
为了测试在高脂饮食（HFD）背景下，胆碱补充本身对葡萄糖耐量和胰岛素抵抗（IR）的影响，作者开展了一系列体内研究，高胆碱高脂饮食（HC-HFD）组的累积血糖水平恢复正常（图1e,f），同时胆碱补充可改善高脂饮食诱导的炎症。
为了记录胆碱补充对胆碱相关代谢途径的影响，作者进一步利用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC–MS/MS）技术对同位素定量进行了优化，以评估导致TMA和TMAO的胆碱衍生物和肉碱衍生物的血浆浓度，循环中的TMA水平在胆固醇饮食（CHD）和低胆固醇高脂饮食（LC-HFD）组中相似（CHD为0.38µM，LC-HFD为0.3µM），但比高胆固醇高脂饮食组低约20倍（5.9µM）。这些结果表明，在作者的高胆固醇高脂饮食组中，胆碱向TMA的微生物转化有所增加。这些结果表明，TMA可能介导了胆碱补充带来的代谢和免疫益处。
图1：高脂饮食（HFD）5个月后，胆碱补充可改善葡萄糖稳态和炎症。
2、 胆碱补充对高脂饮食（HFD）2个月的基线代谢表型分析
为了进一步评估胆碱补充对高脂饮食（HFD）环境下代谢稳态和低度炎症的影响，作者进行了第二次实验，给C57BL/6J小鼠喂食60%千卡的高脂饮食，其时间框架与后续实验设计中使用渗透压微泵持续皮下注射三甲基氨基甲烷（TMA）的时间相当。高脂饮食喂养8周后，葡萄糖耐量试验（GTT）和每周体重均显示出类似趋势（图2a-d）。胆碱补充不仅改善了葡萄糖耐量（图2a,b），还改善了Matsuda指数（图2c），与对照组（CHD）相比，高脂饮食（HFD）喂养增加了肝脏中NF-κB的磷酸化，而胆碱补充使这一现象恢复正常，尽管这也可能是样本间NF-κB蛋白水平变化的结果（图2i、j）。在组织炎症反应中通常上调的急性期蛋白（Saa1、Saa2和Saa3；图2k-m）的表达也观察到了这一模式。
图2：胆碱补充纠正了高脂饮食（HFD）8周后对葡萄糖稳态、胰岛素敏感性和炎症的不利影响。
3、阻断细菌TMA的生物合成导致代谢益处的丧失，长期TMA治疗则可模拟这种益处。
为了验证胆碱补充的有益作用是否由其微生物产物TMA介导，作者试图使用广谱抗生素鸡尾酒或3,3-二甲基-1-丁醇（DMB）分别非特异性和特异性地阻断高胆固醇高脂饮食（HC-HFD）喂养小鼠的细菌TMA生成，从而抑制微生物TMA裂解酶。抗生素和DMB处理均消除了胆碱补充对高脂饮食改善作用的影响，尤其是对葡萄糖耐量、胰岛素敏感性。
在LC-HFD中以0.1 mM的浓度慢性处理TMA，不会影响体重增加，但能有效恢复葡萄糖稳态和松田指数（胰岛素敏感性的指标）（图3f–h）。TMA处理还改善了高脂饲料喂养引起的促炎反应以及急性期蛋白Saa1、Saa2和Saa3在肝脏中的表达（图3i–l）。这些结果表明，慢性TMA处理使体重增加和肥胖与低度炎症和葡萄糖稳态解耦，从而模拟了胆碱补充所观察到的免疫和代谢益处。
图3：阻断胆碱生成三甲基铵（TMA）会抵消胆碱补充带来的代谢益处，而长期TMA治疗则可模拟这种益处。
4、TMA是一种IRAK4激酶抑制剂
高通量激酶筛选与动力学实验证实，TMA直接结合并抑制IL-1受体相关激酶4（IRAK4），而其氧化产物TMAO无此功能（图4 a-b）。
5、TMA抑制人外周血单核细胞（PBMCs）和原代人肝细胞中的IRAK4信号传导
在细胞层面，TMA通过抑制IRAK4活性，切断了由脂多糖和饱和脂肪酸触发的TLR4炎症信号通路，减少炎症因子释放并恢复肝脏胰岛素信号。
图4：TMA抑制IRAK4并挽救LPS诱导的TLR4介导的促炎反应。
6、Irak4 −/−基因敲除小鼠对高脂饮食（HFD）诱导的免疫和代谢失调具有保护作用
与野生型同窝小鼠相比，Irak4−/−小鼠的血糖控制有所改善（图5a,b）。同样，在野生型小鼠中观察到的对高脂饮食（LC-HFD）的炎症反应在Irak4−/−同窝小鼠中也被消除（图5c–g）。Saa3也有类似趋势（图5h），但对体重增加没有影响。因此，与TMA处理类似，IRAK4的基因敲除消除了高脂饮食诱导的促炎反应和糖耐量受损（IGT），从而使肥胖与IGT和低度炎症解耦，其表型与Irak1缺乏相似.
图5：在C57BL/6J小鼠喂食高脂饮食（LC-HFD）8周后，IRAK4缺乏可纠正糖耐量受损（IGT）和促炎反应，而IRAK4的化学抑制剂可模拟其对葡萄糖稳态的影响。
6、药理学抑制IRAK4可恢复葡萄糖代谢正常
鉴于Irak4−/−小鼠缺乏完整的蛋白质，作者将敲除表型与PF06650833（一种最近发现的人类IRAK4蛋白的化学抑制剂，在类风湿性关节炎的一期临床试验中已显示出良好效果46）的表型进行了比较。用PF06650833治疗后，LC-HFD小鼠的体重有所增加。该抑制剂还在葡萄糖耐量试验（GTT）和胰岛素耐量试验（ITT）的后期时间点以及累积血糖水平上显著改善了血浆血糖水平（图5i-l），这反映在Akt磷酸化的增加上（图5m、n）。这些结果共同表明，IRAK4的特异性化学抑制可显著改善血糖控制、胰岛素敏感性和胰岛素信号传导。此外，数据表明，IRAK4可能构成类风湿性关节炎（IR）及相关疾病中的临床相关靶点。
综上所述，通过结合体外、体外和体内方法，作者揭示了一种独特的机制，其中TMA作为一种肠道微生物信号代谢产物，抑制TLR通路中的核心分子靶点IRAK4，从而使肠道微生物群能够控制高脂饮食（HFD）诱导的促炎反应和胰岛素抵抗（IR）。激酶组代表了微生物信号调节宿主靶点的关键库，而未知的微生物组-激酶组交叉对话需要进一步研究。作者的工作可以为人体试验提供指导，在这些试验中，可以在肥胖和胰岛素抵抗的背景下评估可用于人体的IRAK4抑制剂或提高TMA生物利用度的饮食干预的有效性。此外，鉴于胰岛素抵抗是人类心血管疾病的独立危险因素，作者的工作揭示了一种减轻肥胖相关心血管风险增加的策略。通过强调TMA和IRAK4在高脂饮食诱导的低度炎症和胰岛素抵抗中的生理和治疗作用，作者预期其免疫调节特性不仅限于胰岛素抵抗，而是扩展到涉及TLR信号传导和先天免疫调节的更广泛的人类病理学领域。
图6：TMA抑制IRAK4对高脂饮食（HFD）代谢反应的影响概览。
参考文献
Julien Chilloux, Francois Brial, Amandine Everard, et al. Inhibition of IRAK4 by microbial trimethylamine blunts metabolic inflammation and ameliorates glycemic control. Nature Metabolism volume 7, pages 2531–2547 (2025).
