晝夜節律與腸-腦軸的互動

黃智煒 陳勝良

上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院消化內科 上海市消化疾病研究所(200001)

消化道與腦通過多種途徑進行交流，如迷走神經、單胺神經調質、免疫系統、微生物系統、細菌代謝產物等。晝夜節律是生命活動24 h的節律變化，包括睡眠-覺醒周期、激素分泌、細胞運動等。本文從胃腸動力、消化道菌群、消化道免疫和腫瘤4個角度闡述晝夜節律與腸-腦軸的聯系。

晝夜節律由中央時鐘與周圍時鐘調控。中央時鐘位于下丘腦的視上核(SCN)，受環境光線的調控，使SCN的晝夜節律與環境同步。SCN通過神經、激素傳導時間信號至周圍時鐘，SCN還控制消化肽(如血管活性腸肽和胃泌素釋放肽)的晝夜節律釋放。周圍時鐘既受SCN的調控又有其獨立性，還受體溫和行為(如運動、進食)的調節[1]。

在分子水平上，晝夜節律的調控由一組基因及其轉錄產物調控。核心因子為正調控因子Clock、Bmal1，構成異二聚體Clock-Bmal1，作用于靶基因的E-box元件，促進Per、Cry、Rev-Erbα、RORγ等表達。Per、Cry和Rev-Erbα作為負調控因子，負反饋抑制Bmal1基因表達；RORγ則促進Bmal1基因表達。此外，Clock作為組蛋白乙?；D移酶，乙?；疊mal1以及打開染色質結構可促進相關基因表達[2-3]。

一、胃腸運動的晝夜節律

人胃腸道運動呈現晝夜節律，并可能受到體位與進餐時間的影響?？傮w上，胃腸運動在白天更活躍。吃同一種食物，夜間胃排空的半衰期慢于白天[4]。在小腸中，遷移復合運動的白天傳播速度為夜間的2倍[5]。結腸蠕動在清晨達到頂峰，白天和夜間明顯下降[6]。晝夜節律紊亂與胃腸運動障礙有關，如便秘[1]、腸易激綜合征(IBS)、功能性消化不良、胃輕癱綜合征等[3]。

小鼠結腸內壓力變化、排便、體外結腸環肌收縮均表現出晝夜節律，而Per1/2-/-小鼠的節律性消失。肌間神經叢的節律基因可能通過控制某些結腸運動調節基因的表達來調控結腸運動[7]。有研究[8]表明時鐘基因(如Clock和Per3)的多態性與胃腸動力減弱有關。而胃排空和運動的晝夜節律可能與迷走神經無關[9]。

二、細菌的晝夜節律

腸道細菌總數、各類細菌豐度表現出晝夜變化，可能由細菌運動相關基因表達的晝夜變化引起。在Per1/2-/-小鼠中，腸道黏附細菌數量的節律性消失。而對Per1/2-/-小鼠進行定時喂養，腸道細菌數量、豐度恢復節律性。破壞小鼠結腸細菌生態后，結腸組織仍可檢測到數百個基因的轉錄表現為晝夜節律，但基因群與對照組存在明顯差異。進一步實驗表明，小鼠結腸細菌的破壞改變了結腸組織中基因的表觀遺傳，促進新的基因進行節律性轉錄，引起宿主建立新的晝夜節律體系。有趣的是，結腸菌群破壞組與對照組呈現節律性表達的基因群中，相同點為時鐘和核心基因，區別在于其他的功能基因[10]。

細菌代謝物可作為信號分子，向腸上皮傳遞信息，這些細菌代謝物稱為微生物相關分子模式(MAMP)，包括短鏈脂肪酸、多胺(精胺)、氨基酸(酪氨酸和色氨酸)、氨基酸衍生物(?；撬?、組胺和吲哚)、生物素、維生素K、γ-氨基丁酸、膽汁酸和脂多糖 (LPS)[11]。細菌代謝產物表現出晝夜節律變化，可能引起宿主代謝的晝夜節律變化。檢測以抗菌藥物處理小鼠和無菌小鼠的血清鳥氨酸水平，未表現出晝夜節律。Per1/2-/-小鼠亦未檢測到血清氨基酸的晝夜節律，但對其進行定時喂養后，發現腸道細菌和血清氨基酸(鳥氨酸、精氨酸、脯氨酸)的節律性恢復[10]。

三、免疫系統的晝夜節律

免疫細胞及其功能表現出晝夜節律，并受節律基因調控。將小鼠進行12 h光照/12 h黑暗喂養2周后再給予全黑暗喂養2 d，小鼠脾臟、淋巴結、腹膜巨噬細胞中仍可檢測到時鐘基因(Per2和Rev-Erbα)節律性轉錄。分離小鼠脾臟和淋巴結進行體外培養，依然能觀察到Per2基因節律性表達。提示免疫系統的晝夜節律表達有其獨立性[12]。

免疫系統反應強度隨刺激時間變化呈現晝夜節律。LPS誘導的小鼠內毒素休克的死亡率很大程度上取決于給予LPS的時間[13]。有研究[12]表明，LPS刺激小鼠脾巨噬細胞，TNF-α和IL-6的分泌呈現周期變化。脾巨噬細胞數量也呈現晝夜節律，且與TNF-α和IL-6的晝夜節律相符，但每個巨噬細胞分泌TNF-α和IL-6呈現的晝夜節律與總體TNF-α和IL-6的晝夜節律存在差異。LPS刺激巨噬細胞產生TNF-α通過TLR4信號通路實現，而該通路上相關基因的轉錄呈現晝夜節律。在李斯特菌感染小鼠模型中，血液和脾臟中可見Ly6Chi炎性單核細胞的晝夜節律，而非Ly6Clow巡邏單核細胞，單個細胞的IL-1和IL-6表達并未表現出晝夜節律。大劑量李斯特菌感染小鼠可過度激活免疫系統，小鼠死亡率與炎癥反應增強程度呈正相關， 而炎癥反應強度隨著注射時間呈現晝夜節律。Bmal1敲除后小鼠Ly6Chi單核細胞的晝夜節律消失。以李斯特菌引起小鼠腹膜炎，Bmal1敲除小鼠腹膜炎部位Ly6Chi單核細胞和相關炎癥因子水平明顯升高，小鼠存活率和中位存活時間明顯降低[14]。表明時鐘基因作為免疫反應的保護機制，可防止炎癥過度激活。

第3組先天淋巴細胞(ILC3)與神經細胞相互作用，介導黏膜免疫。腸道成熟ILC3細胞的時鐘基因表達呈明顯的晝夜節律。敲除ILC3細胞的Bmal1可引發腸道ILC3數量和功能改變、上皮反應受損、微生物群失調、腸道感染的易感性增加以及脂質代謝紊亂[15-16]。光-暗循環、飲食節律和微生物對ILC3節律的調控影響不同，以光信號為重[16]。在手術切除SCN的小鼠或僅SCN缺乏Bmal1基因的小鼠中，ILC3的節律消失，腸道歸巢標記表達下降，表明ILC3受SCN的調控[16]。IBD患者中腸道ILC3數量明顯下降，Nr1d1、Per3和Nfil3表達發生明顯變化[15]。

四、癌癥與晝夜節律

細胞代謝改變是癌癥的重要特征之一。因此，晝夜節律紊亂引起的代謝功能障礙可能促進癌癥的發展。其機制可能是破壞節律能促進癌細胞利用能量以及合成脂肪，從而促進增殖[17]。時差對小鼠和人有致癌作用，宿主和微生物的節律破壞能影響結直腸癌病程[18]。有證據表明，微生物群還可調節對免疫治療的反應，延長中位生存期[19]，但微生物改善免疫治療的療效與微生物晝夜節律的關系有待研究。細菌代謝物水平的波動可能會影響對癌癥的免疫反應，從而影響對“檢查點封鎖”的反應。

結腸細胞增殖遵循晝夜節律。DNA復制通常發生在夜間，細胞增殖調控蛋白的表達也呈現出晝夜節律。時鐘基因可能會抑制cyclin D1表達，從而抑制G1期向S期過渡。因此，正常的晝夜節律保護DNA免受誘變的干擾[20]。此外，在微衛星不穩定性結直腸癌中可見Clock基因突變[21]。

夜間光線抑制褪黑激素的產生，干擾DNA修復、促進腫瘤凋亡、抑制腫瘤生長、清除自由基、調節抗腫瘤免疫、競爭性抑制雌激素，從而增加患癌風險[22-23]。在78 586名護士參與的健康研究[24]中，602 例發展為結直腸癌。與不輪班夜的女性相比，輪夜班工作≥15年的女性患結直腸癌的風險增加1.35倍(95% CI: 1.03～1.77;P=0.04)。

腫瘤中節律基因表達變化較基因突變更普遍。結直腸癌細胞的時鐘基因(Clock、Per)表達與正常人不同。Clock和Bmal1基因可能為保護因素，在結直腸癌細胞中過表達，干擾細胞周期，抑制細胞生長[20-21]。Per2低表達促進結直腸癌的肝轉移，Per2和Per3高表達可抑制腫瘤生長、增加腫瘤分化或凋亡、減少淋巴結轉移和延長無轉移生存期[21]。

研究表明，在結直腸癌患者血液中腫瘤標記物存在晝夜節律，并因病程不同而有所差異[20]。在Ⅳ期結直腸癌細胞中，節律基因表達降低，在遠處轉移的器官(腎和肝)中的表達發生改變。腫瘤可影響節律基因的表達，進一步干擾外周正常細胞的節律基因，從而干擾生物節律[20,25]。

總之，晝夜節律不僅是睡眠-覺醒周期、攝食等行為學，對分子機制的研究擴展了對生物鐘的認識。晝夜節律在代謝、內分泌、神經疾病等方面均有重要影響。晝夜節律對胃腸道疾病的影響可能涉及多個因素。生物代謝的變化具有周期性，因此，在合適的時間點用藥可減少劑量，提高療效，降低藥物不良反應。未來應進一步研究晝夜節律在腫瘤發生、發展過程中的具體作用及其機制。