腸道菌群調控研究進展

黃純波，廖新俤

(華南農業大學 動物科學學院，廣東 廣州 510642 )

動物腸道中棲息著數量龐大、種類繁多的共生菌群，并且與宿主的健康息息相關[1]。腸道菌參與調節宿主的多個代謝途徑，其穩態的失衡易導致炎性腸病、糖尿病、惡性腫瘤及肥胖等疾病的發生[2-3]。經過上萬年的進化，動物體及其腸道寄生菌群之間已形成了一套復雜的調控網絡，用以維持兩者之間的動態平衡。隨著科學研究的不斷深入，人們的觀點也從傳統的“細菌有害論”逐漸轉變，認為腸道菌群在維持宿主的正常代謝和健康等方面有著重要的作用。本文對有關腸道菌群發育、調控和互作機制的最新研究進展進行綜述，以期加深對動物與其腸道微生物之間調控關系的理解，同時為在腸道菌群研究進程中仍存在的一些未解之謎的深入探究提供一定的參考。

1 腸道菌群的建立和發育

Collado等[4]研究發現，初生嬰兒在母體內通過胎盤和羊水獲得初始的腸道菌群積累，而出生后的3～4 d，嬰兒胎糞中的菌群結構開始變得與初乳中檢測到的菌群結構相似。另有研究發現，順產嬰兒的腸道菌群與母體產道菌群較為相似，以乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、普氏菌屬(Prevotella)和纖毛菌屬(Sneathia)為主要菌群，而剖腹產嬰兒的腸道菌群與母體皮膚和醫院產房環境中的菌群更為相似，以葡萄球菌屬(Staphylococcus)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)和丙酸桿菌屬(Propionibacterium)為主要菌群，證明母體產道可能影響胎兒腸道初始菌群的定植。上述研究表明，哺乳動物在母體子宮內就已開始建立起簡單的腸道菌群，出生后由于外環境的接觸和飲食，使更多種類的菌群有機會進入幼齡動物腸道內定植，菌群結構也逐漸趨于復雜化。Faith等[6]研究發現，當嬰兒成長至三歲，其腸道中的菌群結構已基本發育成熟，組成和豐度也變得相對穩定，與成年人相似。同時也有報道指出，腸道菌群的建立和發育成熟期可能是一個關鍵的時間節點，此時對動物腸道菌群進行外源性干預和調控，相比其他時期可能具有更為顯著的影響。如果嬰兒在早期發育階段遭遇嚴重的營養不良或者使用過抗生素，其腸道菌群多樣性則會顯著降低，腸道菌群的成熟也會延遲，且這種“負作用”往往具有終生效應，即使后期通過營養等手段進行干預，受損的腸道菌群也不能得到較好的恢復[7-8]。Schulfer等[9]研究也發現，對孕期小鼠使用抗生素擾亂腸道菌群后，紊亂的孕鼠菌群可傳遞給后代，并且這種紊亂的菌群結構可長期存在于子代小鼠腸道中，子代對疾病的易感性也顯著增加。

2 影響動物腸道菌群結構的因素

由于不同種屬的動物遺傳背景不同，其腸道菌群結構差異較大，而同種屬不同個體間腸道菌群結構往往相似，表現出一定的遺傳穩定性。Turpin等[10]通過大規模的群體分析發現，人體腸道約1/3的菌群是可遺傳的，并且鑒定出與33個細菌分類群豐度相關的58個單核苷酸多態性(SNPs)。但也有研究表明，即使是在同一種屬內，不同個體間的腸道菌群結構也會呈現一定的差異性。Goodrich等[11]通過考察成長于相同環境中的1126對雙胞胎發現，同卵雙胞胎較異卵雙胞胎有著更為相似的腸道菌群結構，且進一步發現部分雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)可穩定遺傳到后代，并成功建立了乳糖酶編碼基因(Lactase gene，LCT)與腸道中雙歧桿菌的關聯性。上述研究表明，在腸道菌群的繼承和調控中，宿主的基因型起著重要作用。另外，環境及飲食模式的不同也是導致個體間腸道菌群產生差異性的重要原因，且環境和飲食因素對腸道菌群的調控作用往往比宿主基因型對菌群的調控作用更強[12]。Metcalf等[13]對比野生型和圈養型的普氏野馬(Equusferusprzewalskii)腸道菌群后發現，野生普氏馬的腸道菌群結構明顯區別于圈養普氏馬，具有更高的考拉桿菌(Phascolarctobacterium)和甲烷粒菌(Methanocorpusculum)豐度，且菌群多樣性也比圈養普氏馬高。飲食中營養素的含量和種類(纖維、脂肪以及碳水化合物等)以及外源添加劑(抗生素、菊粉等)對宿主的腸道菌群結構和功能產生直接的影響。Sonnenburg等[14]以高/低纖維日糧喂養小鼠后發現，低纖維日糧組小鼠的腸道細菌多樣性顯著低于高纖維日糧組小鼠，并且發現這些消失的菌群可能與現代飲食模式下某些代謝疾病(肥胖、糖尿病等)的發生有關，進一步通過多代飼喂試驗后發現，低纖維組每代小鼠腸道細菌的多樣性會進一步大幅下降，即使對其恢復高纖維日糧的供給，小鼠的腸道菌群也不能完全恢復到正常水平。

3 宿主與腸道菌群間的互作研究

如前文所述，宿主基因型、環境和飲食均是影響動物腸道菌群結構的主要原因。同時腸道菌群與宿主之間也存在著多種互作機制，以保證腸道菌群與宿主處于一種動態平衡且穩定的狀態。宿主腸上皮可分泌各種物質選擇性地調控腸道菌群的生長，決定腸道菌群特定的空間分布，在維持腸道穩態中起著重要作用。而菌群的定植又影響宿主免疫系統發育、腸上皮屏障完整性以及相關代謝軸功能，如腸-肝軸、腸-腦軸等，進而影響宿主的健康。

3.1 宿主對腸道菌群的調控機制

3.1.1 腸道免疫應答類物質 宿主腸上皮分泌的一個典型調控物質就是抗菌肽(AMPs)，具有廣譜抗菌活性，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、真菌、寄生蟲等均有殺滅作用，是宿主固有免疫的重要組成部分。哺乳動物腸源性的抗菌肽主要包括防御素家族(α-防御素、β-防御素等)、組織蛋白酶抑制素Cathelicidins (LL-37)、C-型凝集素(如REG蛋白家族)、核糖核酸酶(RNase)和 S100蛋白 (如鈣衛蛋白)等[15-16]。Mukherjee等[17]研究發現，腸道粘液中的C-型凝集素通過在革蘭氏陽性菌的膜表面形成“透化孔”的方式，將細菌滲透性溶解，從而為抵御病原菌的入侵提供腸道保護。而Cullen等[18]研究發現，人腸道中一些主要的定植菌群(如多形擬桿菌等)相比一些外源性病原菌(如大腸桿菌)來說，對腸道內高濃度的陽離子抗菌肽(多粘霉素B)具有更強的抗性，這意味著在炎癥介導的腸道免疫反應過程中，分泌的抗菌肽可選擇性地對有害病原菌進行殺滅。作為特異性免疫反應的組成部分，腸組織分泌的免疫球蛋白(如 SIgA 、SIgG等)能夠穿過固有層進入腸腔，調控腸道菌群的生長。淋巴細胞缺陷型小鼠(Rag 1-/-小鼠，不能正常分泌免疫球蛋白)相比正常小鼠，腸道中的嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansiamuciniphila)大量增殖，而當把正常型小鼠的骨髓移植入Rag 1-/-小鼠血液后，阿克曼氏菌的增殖得到了有效的抑制[19]。由以上研究成果可知，腸道免疫應答類物質對共生菌群有一種制約作用，避免微生物對腸道的過度刺激，進而維持宿主與菌群間的平衡關系。

3.1.2 腸上皮microRNA microRNA的研究一直是當前研究的熱點。2012年南京大學張辰宇教授課題組證明了大米中的miR-168a在哺乳動物細胞中存在跨界調控現象，首次叩開了microRNA跨物種調控的大門。Liu等[20]研究發現，腸上皮細胞能分泌大量的microRNA，并且發現某些microRNA能夠進入細菌并與細菌的核酸序列結合調控細菌基因表達，從而影響細菌生長；進一步發現microRNA缺陷型小鼠的腸道微生物菌群嚴重失衡，通過正常小鼠糞便microRNA移植后，缺陷小鼠菌群多樣性得到有效的恢復。有趣的是，哺乳動物初乳中也存在大量外泌體，而外泌體中含有豐富的microRNA。有研究認為，初生動物的腸道尚未完全發育成熟，初乳中的這些microRNA能被動物腸道吸收進入體內，促進宿主腸道免疫功能的發育和成熟等相關代謝過程[21-23]。但也有相反的研究發現，初乳中的microRNA并不能穿過腸道屏障影響宿主基因表達，而是被胃腸道中的消化酶降解[24]。但飲食來源的microRNA是否會對宿主腸道中的菌群直接進行調控，相關的研究結果目前還并未見報道。

3.2 腸道菌群對宿主免疫和代謝的調控機制

Johansson等[25]對比無菌小鼠和正常小鼠的腸道黏膜結構后發現，腸道菌群能促進腸黏膜中粘蛋白的分泌，在維持宿主腸上皮完整性和通透性方面有重要作用。目前研究發現，腸上皮中存在多種模式識別受體(PRRs)，例如Toll樣受體、Nod樣受體和C-型凝集素受體等。這些受體能夠特異性地識別細菌表面的脂多糖(LPS)、磷壁酸、肽聚糖、夾膜多糖、鞭毛蛋白等組分，如細菌表面的LPS能夠與腸上皮表面的Toll樣受體(TRL4)結合，進而調控宿主相關的免疫反應，如淋巴細胞的分化成熟、細胞因子的釋放、脂質的合成分解甚至宿主情緒、行為等生理過程[26-29]。Ivanov等[30]研究發現，腸道中的分節絲狀菌(segmentedfilamentousbacteria)能刺激宿主腸上皮中輔助性T細胞17(Th17)的成熟分化和IL17、IL22等細胞因子的釋放。最新研究還發現，腸道菌群還可以通過鞭毛蛋白和LPS激活腸道固有層的髓系細胞(MyD88)分泌白介素23(IL-23)，IL-23進一步刺激3型天然淋巴細胞(ILC3)分泌白介素22(IL-22)， IL-22激活信號轉導及轉錄激活蛋白3(STAT3)，進而抑制節律基因Nr1d1的轉錄活性，調控宿主的生物鐘功能[31]。除細菌表面組分外，菌體分泌的一些活性物質，如短鏈脂肪酸(SCFAs)、組胺和吲哚類物質，對宿主免疫和代謝也具有調控作用。腸上皮細胞上的短鏈脂肪酸受體GPR41和GPR43與腸道內的短鏈脂肪釋放結合，激活組蛋白乙酰化，進而促進調節性T細胞的分化以及抗炎細胞因子的釋放[32-33]。Shimada等[34]研究發現，腸道菌產生的吲哚能促進腸上皮緊密連接蛋白的表達，增強腸炎小鼠的免疫力。除此之外，某些腸道菌分泌的小分子RNA(細菌小RNA，sRNAs)也可能存在跨物種調控的作用。Liu等[35]研究發現，在惡劣環境下,線蟲體內的大腸桿菌能分泌內源性的非編碼sRNA-DsrA，DsrA能抑制線蟲甘油二酯脂肪酶基因的表達，進而縮短線蟲的壽命。但關于哺乳動物腸道中菌群分泌的sRNAs是否也能進入宿主上皮細胞，進而調控宿主某些基因的表達，相關的研究結果目前亦未見報道。

4 菌群與菌群間的互作研究

4.1 腸道菌群之間的互作機制

腸道中菌群數目、種類繁多，正常情況下，腸道內菌群間存在穩定的競爭、協同和共生關系，在防御腸道病原菌感染、維持腸道穩態等方面有著重要作用。研究發現，菌群之間存在競爭腸道結合位點、競爭碳源、礦物元素、維生素等營養物質的現象，即菌群的移植抗性[36-37]。由于代謝的相似性，同類群的菌群之間的移植抗性往往比不同類群菌群之間的競爭更為激烈。例如大腸桿菌(Escherichiacoli)和鼠類檸檬酸桿菌(Citrobacterrodentium)均屬于腸桿菌科，且兩者均需要單糖用以維持生長，在小鼠腸道中移植大腸桿菌可顯著抑制腸道中鼠類檸檬酸桿菌的生長[38]。一般認為，在菌群競爭或協同的過程中，菌體分泌的一些代謝物質在其中起著決定性的調控作用。Kommineni等[39]研究發現，除宿主外，菌體也可以分泌抗菌肽，如腸道中的糞腸球菌(Enterococcusfaecalis)可產生細菌素類抗菌肽，用以殺滅其他細菌，增強自身的競爭優勢。另外，某些細菌能產生膽汁酸，如閃爍梭菌(Clostridiumscindens)可通過自身分泌的膽汁酸直接抑制艱難梭菌(Clostridiumdifficile)的生長和梭菌毒力基因的表達[40]。另有研究發現，菌體產生的短鏈脂肪酸(SCFAs)，不僅可以調控腸上皮的免疫和代謝，還能直接作用于某些病原菌，影響其毒力基因的表達。例如腸道中的丙酸和丁酸能有效地抑制鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)相關毒力基因的表達，降低沙門氏菌的感染性[41]。

4.2 群感效應與腸道菌群互作

除上述代謝物外，最新研究發現，某些群感效應分子可能在腸道菌群的交流互作中存在重要的作用。群感效應是指某些細菌自身能產生一些信號分子，這些信號分子穿出菌體細胞，并在環境中積累，細菌通過感受環境中這些信號分子的濃度，同其他細菌交流(包括種內和種間)。隨著細菌群體密度的增大，這些信號分子在環境中積累的濃度也增加，當這些信號分子在環境中積累到一定濃度時，信號分子便進入菌體細胞，激活細菌某些特定基因表達，調控細菌毒力因子的釋放和生物膜的形成等進程[42]。常見的信號分子包括三類，即高絲氨酸內酯(AHLs)主要介導革蘭氏陰性菌群感效應系統，寡肽類物質(AIPs)主要介導革蘭氏陰性菌群感效應系統，而呋喃硼酸二酯(AI-2)主要介導種間交流。由于動物腸道環境較為復雜，現在關于腸道中菌群的群感效應的相關研究還比較少。Thompson等[43]研究發現，腸道內的大腸桿菌能產生自誘導劑AI-2，AI-2能恢復腸道內被鏈霉素擾亂的厚壁菌門(Firmicutes)的豐度，維持小鼠腸道菌群的平衡。Hughes等[44]發現，腸出血性大腸桿菌(EHEC)能產生受體蛋白SdiA，SdiA識別信號分子AHLs，激活耐酸基因的表達，但EHEC本身并不能合成AHLs，而是識別其他腸道菌產生的AHLs來介導群感效應的發生[44]。值得注意的是，腸道內AHLs的量很少，只有少數細菌，如小腸結腸炎耶爾森菌(Yersiniaenterocolitica)能夠產生AHLs，這也使得腸道內AHLs介導的群感效應的研究目前還不明朗[45]。另外，Ismai等[46]通過體外實驗發現，小鼠上皮細胞在細菌的刺激下也能產生AI-2類似物，參與細菌的群感效應途徑。將群感效應和腸道菌群結合起來，為今后探究菌群調控開拓了新的思路和方向。

6 總結和展望

宿主與其共生菌群之間維持著一種動態平衡的關系，以保證宿主的健康。宿主的飲食、環境和生理狀況均能影響腸道菌群的結構和功能，而腸道菌群結構和功能的改變往往又能影響宿主代謝和免疫等功能。目前兩者之間的因果關系并不明確，比如宿主某種疾病的發生是因為其共生菌群改變導致的，還是宿主這種疾病的發生進而引起了其共生菌群的改變，這點我們不得而知。隨著模型動物(如無菌鼠、無菌豬和基因敲除鼠等)及組學分析手段(宏基因組學、轉錄組學和代謝組學等)的應用，宿主與菌群之間、菌群與菌群之間調控的分子機制也逐漸被揭示。宿主分泌的抗菌肽、免疫球蛋白和microRNA以及菌體表面的脂多糖和菌體產生的短鏈脂肪酸、膽汁酸、sRNA、群感效應分子等物質在其中起著重要作用(圖1)。但宿主的腸道本身就是一個復雜的生態系統，其中還存在許多未解的科學問題值得我們去研究。比如隨著對菌群“母體效應”研究的逐步加深以及畜牧業“母子一體化”等概念的提出，使得人們更加關注母體孕期或胎兒腸道發育初期這一關鍵的時間節點，并開展相關的研究工作。另外，腸道微生物除常見的細菌外，還存在部分真菌、病毒和古菌，這些腸道成員與宿主之間又存在怎樣的關系，這也有待進一步的深入研究。相信在未來，隨著腸道菌群的神秘面紗不斷被揭開，將其中的新機制利用在某些疾病治療手段的研發以及改善人類健康等方面，將呈現出更為廣闊的前景。

圖1 宿主與腸道菌群之間的互作