肠道生物钟调节宿主代谢功能的相关性研究进展

　　【提要】 肠道菌群可调节宿主的营养吸收、能量代谢、免疫等生理过程，是人体的重要“器官”。研究发现，肠道菌群丰度呈昼夜节律震荡，且肠道菌群昼夜节律( 肠道生物钟) 失调可导致肠道菌群及代谢物质变化，对宿主的代谢功能产生深远影响。本文对肠道菌群及肠道生物钟对宿主代谢的作用机制及影响因素进行综述。

　　【关键词】 生物钟; 肠道菌群; 代谢功能; 信号通路; 代谢功能障碍; 影响因素; 综述

　　通过分子机制调节机体活动的最佳时间及节律，称为生物钟[1]。生物钟存在于大脑中枢神经系统，所有细胞都表达时钟基因，都有昼夜节律。中枢生物钟通过神经元连接、内分泌信号、体温等向大脑和外周器官传递节律信号，通过调控基因的节律性表达产生生理功能相关性节律[2]。肠道菌群参与宿主营养吸收、能量代谢、免疫等生理过程，是人体的“重要器官”。2004 年美国华盛顿大学 Bckhed 等[3]首次系统报道了肠道菌群与宿主代谢的关系，认为小鼠肠道菌群影响其脂肪存储的水平，高 脂、高糖饮食可导致小鼠肠道菌群变化。 Chu 等[4]研究发现，婴儿肠道微生物群受母体膳食摄入的影响，母体膳食失衡可能导致婴儿产生代谢疾病。研究发现，肠道菌群丰度呈昼夜节律震荡( 即肠道生 物钟) ，并参与宿主的新陈代谢调节[5 - 6]。

　　1 肠道菌群调节宿主代谢功能信号通路

　　1. 1 短链脂肪酸代谢通路 肠道菌群分解食物产生短链脂肪酸( short-chain fatty acids，SCFAs) ，包括乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐。这些产物可作为直接能量来源被小肠上皮细胞吸收利用，其中丁酸盐是结肠细胞的重要能量来源，而丙酸盐和乙酸盐能被迅速吸收来作为肝脏能量来源。den Besten 等[7]的研究显示 SCFAs 能激活肝脏和肌 肉 过 氧 化 物 酶 体 增 殖 物 激 活 受 体 ( peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR) -γ 和 PPAR-γ 家 族受体，从而调节葡萄糖摄取和脂肪酸的氧化。丁酸盐通过关键的 PPAR-γ 通路抑制了肠道细胞中诱导型一氧化氮合酶的表达，减少诱导型一氧化氮合酶和硝酸盐的产生[8]。因此，肠杆菌科细菌无法利用硝酸盐进行有氧呼吸，抑制了细菌的繁殖，维持了肠道菌群稳态。动物实验表明，膳食补充剂乙酸盐可以改善肥胖症及胰岛素抵抗[9]。然而，最近另一项动物实验结果显示乙酸盐可通过交感神经调节代谢通路从而诱导肥胖和胰岛素抵抗[10]，但是目前尚未有临床试验证明。

　　此外，SCFAs 还 可 以 通 过 与 其 G 蛋 白 偶 联 受 体 ( G protein-coupled receptor，GPR) 43、GPR41 等结合，参与炎症 形 成，同 时 刺 激 胃 肠 激 素 酪 酪 肽 ( peptide YY， PYY) 的分泌[11]。PYY 具有抑制肠道蠕动、延长食物摄取时 间、调节食欲和维持葡萄糖稳态的作用。小 鼠 GPR41 基因敲除后 PYY 表达显著下降[11]，通过增加外源 PYY 可明显降低食欲，减少摄食量。Cani 等[12]研究发现，细菌蛋白质可促进肠道细胞分泌 PYY 和胰高血糖素样肽-1，通过中枢和外周神经系统增强饱腹感，抑制食欲，从而减轻体重和胰岛素抵抗。肠道菌群还可能通过调节胰高血糖素样肽-2 表达而影响肠道通 透性[13]。

　　1. 2 氧化三甲胺代谢通路 肠道细菌在消化营养物质 ( 胆碱、卵磷脂和肉碱) 的过程中会产生三甲胺。三甲胺被肝酶黄素单氧化酶激活为三甲胺氧化物[14]。代谢产物三 甲 胺 氧 化 物 与 个 体 心 血 管 疾 病 的 发 病 有 密 切联系[15 - 17]。Shih 等[18] 发现抑制三甲胺/黄 素 单 氧 化酶 3 /三甲胺氧化物通路可能会抑制肠道胆固醇代谢和脂肪组织甾醇代谢。胆汁酸是胆固醇的代谢产物，能增加脂溶性物质的溶解，且可激活回肠和肝脏中法尼酯 X 受体、内 分 泌 L 细 胞 的 G 蛋白偶联受体胆汁酸受体 5 [19]。因此，肠道细菌可通过改变代谢产物的理化性质，参与调节能量代谢。

　　1. 3 脂 多 糖 代 谢 通 路 脂 多 糖 ( lipopolysaccharide， LPS) 是革兰氏阴性细菌细胞壁外层最重要的组成成分，是内毒素产生生物学效应的主要活性物质，可以引发宿主炎症反应从而加剧慢性炎症疾病，如 肥 胖、胰 岛 素抵抗等。有研究[20]分别予以小鼠正常和高脂饮食，4 周后高脂饮食小鼠出现肥胖 和 胰 岛 素 抵 抗，肥 胖 小 鼠血 LPS 浓度 上 升 了 2 ～ 3 倍，肠 道 菌 群 组 成 结 构 发生变化; 该研究将 LPS 皮下注入正常饮食的野生小鼠，4 周后小鼠 身 体、肝 脏 和 脂 肪 组 织 的 重 量 增 加，出 现空腹高血 糖 和 胰 岛 素 血 症。LPS 与脂多糖结合蛋白 ( lipopolysaccharide-binding protein，LBP) 结合，经 CD14 + 呈递给跨膜蛋白 Toll 样受体蛋白 4( Toll-like receptor 4， TLR4) ，形成 LPS-LBP-CD14 + / TLR4 信号 转 导 途 径，其通过激活 Toll 样受体蛋白 - 髓样分化因子 88-核因子 κB 信号通路而引起相应免疫答应，同时促进炎症因子肿瘤坏死因子 α、白细胞介素( interleukin，IL) -6、IL-10 等释放，引发慢性低度免疫炎症[21]。有学者使用基因敲除小鼠证实了 CD14 + / TLR4 /髓样分化因子 88 信号转导复合物 在 LPS 诱导的细胞炎症反应中具有重要作用[22]。此外，研究发现脆弱拟杆菌能够将 LPS 通过细菌外膜囊泡的分泌小泡传递到宿主的肠道树突细胞中，进而诱导树突细胞分泌 IL-10 并促进调节性 T 细胞的分化[15，23]。

　　2 肠道生物钟紊乱与代谢功能障碍

　　目前昼夜节律失调导致代谢功能障碍的机制尚未被阐明，但是肠道菌群的变化是代谢功能障碍的相关反应之一[5 - 6]。因此，学者们对肠道生物钟如何通过肠道菌群调控宿主代谢的机制进行了研究。

　　2. 1 肠道菌群的昼夜节律 高脂、高糖饮食可导致小鼠肠道菌群差异变化，其中厚壁菌门、变形菌门的细菌丰度增加，拟杆菌门细菌丰度降低[3]。肠道菌群的组成和代谢呈昼 夜 节 律 模 式。已有研究表明相对丰度约 15% 的各种细菌类群呈现昼夜节律震荡，占全部肠道菌群的 60%[5 - 6，24]。其中，产气肠杆菌在人肠道外表现出昼夜节律，其对分泌到胃肠腔内的神经激素 - 褪黑激素敏感，并表现出群集和运动的昼夜节律模式[25]。通过生物钟基因突变或时差破坏宿主生物钟，可消除肠道菌群白天节律性震荡[6，24，26]。

　　2. 2 TLRs 受体 肠道菌群的完整性是肠道上皮的生物钟基因表达所必需的。Mukherji 等[27]发现肠上皮细胞中 RORα 激活剂和 Rev-erbα 抑制剂的相关基因可调控 TLRs 昼夜节律性的表达，RORα/Rev-erbα 的调节可将暂时无节律的菌群信号转化为 c-Jun 氨基末端激酶和 IkB 激酶 β 的昼夜节律性活动，防止 Rev-erbα 被 PPAR-α 激活，破坏生物钟。此外，肠道菌群通过激活转录因子活化蛋白-1 和髓样分化因子 88-核因子 κB，与 RORα 和Rev-erbα 共同作用，维持肠上皮细胞生物钟稳态。肠道菌群呈现出节律性的定位以及代谢物分泌，决定了肠上皮对不同细菌物种及其代谢物的节律性暴露[28 - 29]。

　　2. 3 肝脏时钟 研究发现宿主肠细胞存在节律性的暴露及染色质重编和转录，同时肠道菌群的节律性可调控肝脏时钟基因表达和解毒反应[28 - 29]。特定肠道菌群的代谢物，特别是 SCFAs( 如丁酸盐) ，可以调节肝细胞中的时钟基因表达[29]。Murakami 等[30]的研究表明代谢产物可直接激活或通过胆固醇调节元件结合蛋白-1 来间接调节高脂饮食诱导肝脏中的 PPARγ 活性，进而导致肝脏时钟的转录重编。Montagner 等[31]利用无菌小鼠实验证实了肠道菌群通过调控肝脏时钟，调节 PPAR-α、孕烷 X 受体、组成性雄烷受体和肝 X 受体 α 的下游靶基因及其效应物，从而调节脂质、葡萄糖和胆固醇代谢。胆固醇在肝内经胆固醇 7α-羟化酶转为胆汁酸，胆汁酸是肠道微生物群的调节者[32]，它们的生产和分泌受生物钟的控制[33 - 34]。Govindarajan 等[35] 提出肠道菌群的胆汁盐水解酶可能参与调控肠道及肝脏时钟，其中肝时钟调节因子( 包括 D-双功能蛋白) 和相关基因( Per2、 Per3 和 Cry2) 的变化显著。

　　3 肠道生物钟紊乱的影响因素

　　3. 1 性别 研究证实肠道菌群在不同性别之间存在差异[36]。因此，不同性别的宿主生物钟受到破坏后，肠道菌群的变化不同。Liang 等[26]发现脑和肌肉组织芳香烃受体核转运蛋白的类似蛋白 1( brain and muscle ARNT-like protein-1，BMAL1) 基因敲除小鼠的粪便菌群昼夜节律消失，但雄性与雌性小鼠粪便中菌群丰度的改变不同。 Org 等[37]在小鼠睾丸切除术后使用睾酮，可以恢复肠道菌群组成中与性腺切除有关的改变，并逆转了胆汁酸组成中的性别特异性差异。这说明性激素可介导肠道菌群的变化。同时，睾酮等类固醇的生成需要生物钟蛋白 BMAL1[38]。因此，肠道菌群的性别差异可能与睾酮和胆汁酸等激素有关，生物钟和性别之间的相互作用影响着肠内微生物群的昼夜节律和组成。

　　3. 2 饮食 昼夜节律调节哺乳动物中枢生物钟，而外周肠道生物钟( 肠道菌群昼夜节律性变化) 主要由进食节律控制[5 - 6]。进食节律通过营养素利用率的变化从而调节各种微生物功能: 营养物质可利用期间，微生物的能量吸收、细胞生长和 DNA 修复功能占主导地位，而在禁食期间以解毒为主。同时进食节律驱动肠道菌群总体群落的变化( 优势细菌的变化) [6]。Leone 等[29]研究了高脂饮食对肠道菌群昼夜节律的影响，发现高脂饮食的小鼠中菌群丰度的昼夜节律性受到抑制，其中受到影响的细菌主要为毛螺菌科( SCFAs 生产菌) 的成员; 相反，先前没有节律的细菌，例如产生硫化氢的细菌( 即硫酸盐还原菌) ，在宿主小鼠高脂饮食时即表现出节律性; 然而，小鼠限时高脂饮食后，肠道菌群的昼夜节律可以部分恢复，葡萄糖耐量可恢复正常，并防止小鼠肥胖。另外，Zarrinpar 等[5]的研究结果也显示饮食诱导的肥胖小鼠的肠道菌群昼夜节律性减弱，而限制时间喂养可以部分恢复周期性波动。Thaiss 等[6]的研究显示，生物钟基因敲除小鼠的摄食节律减弱，而摄食节律的恢复可以帮助肠道菌群丰度的震荡( 即昼夜节律性) 。这些结果均提示，在高脂高糖饮食影响下，肠道菌群可以调节或改变昼夜节律和宿主代谢功能。

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　　4 展 望

　　目前较多研究揭示肠道菌群失调及生物钟都与机体代谢功能障碍相关。而近期研究发现肠道上皮细胞与肠道菌群本身存在昼夜节律特点，与中枢生物钟有着密切联系，但两者具体作用机制尚不清楚。中枢生物钟系统如何协同外周生物钟调控一系列下游基因及相关生理反应，并最终导致肠道菌群失调，引发代谢功能障碍均有待进一步探索，这一过程的发生机制是肠道菌群组及生物钟组研究的方向，具有巨大的挖掘价值。

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