短鏈脂肪酸介導的腸上皮和抗炎調節研究進展

張 晨，敖日格樂*，王純潔，斯木吉德

（1.內蒙古農業大學動物科學學院，內蒙古呼和浩特 010018；2.內蒙古農業大學獸醫學院，內蒙古呼和浩特 010018）

在哺乳動物體內有一個豐富的微生態系統，微生物總量可達到宿主體細胞總數的10 倍，總體基因組數能達到150 倍[1]。不同個體之間的微生物群各不相同，隨著時間的推移，個體中的微生物群也會發生明顯改變。研究表明，腸道菌群與宿主的免疫功能密切相關，在其影響宿主免疫功能的同時，宿主的免疫系統也可能同時在保護腸道益生菌[2]。宿主與微生物之間的相互作用可以維持機體的穩態，當機體內穩態被打亂就可能導致慢性炎癥和代謝功能障礙[3]。此外，環境因素、衛生和抗生素的使用以及低纖維、高糖高脂的飲食都會導致腸道菌群失衡，繼而影響宿主健康[4]。腸道微生物已被證實具有調節免疫的發展和代謝功能及預防疾病（如過敏、結腸癌和炎性腸病）等許多有益功能[5-6]。大多數有益功能是由短鏈脂肪酸（SCFA）介導，SCFA 主要由乙酸、丙酸和丁酸組成，它們除了作為重要的能源，還可以影響機體血糖和血脂水平、結腸環境及免疫功能。本文綜述腸道中微生物SCFA 的產生、轉運及其對腸道細胞和免疫反應的影響，以期為SCFA 作為動物營養素研究提供理論依據。

1 SCFA 的產生及轉運

1.1 SCFA 的產生 SCFA 是飽和脂肪族有機酸，由1～6個碳組成，其中乙酸、丙酸和丁酸含量最高（≥95%），三者在結腸中的摩爾比近似為60:20:20[7-8]，主要由低聚糖、非淀粉多糖（NSP）、抗性淀粉（RS）等發酵產生，其中RS 是產生丁酸的重要來源。對于個體不同腸道部位，近端結腸的總SCFA 濃度高于遠端結腸[9]。然而目前無法準確得知腸道菌群對SCFA 的生產量，因為大多數SCFA 都已在結腸腔中被吸收，而且體外培養不同于體內情況，在分離微生物期間，菌群的多樣性會發生急劇變化，同時產物也會在發酵中累積。而SCFA 濃度與細菌的底物有關，糞便中的SCFA 分析結果可以作為腸道中SCFA 水平的近似值，從而可以推斷出SCFA在腸道與糞便中的關系[10]。

乙酸是多種細菌發酵產物，通過乙酰輔酶A 或Wood-Ljungdahl 途徑由丙酮酸從丙酮酸鹽中生產[11]。丙酸是擬桿菌門發酵的主要產物，通過琥珀酸酯途徑從琥珀酸酯轉化為甲基丙二酰輔酶A 產生，也可以以乳酸為前體，通過丙烯酸酯途徑和丙二醇途徑合成[12]。丁酸是厚壁菌門的主要代謝產物，是由2 個乙酰-CoA分子縮合，然后還原為丁酰-CoA，通過磷酸轉丁酰酶和丁酸酯激酶將其轉化為丁酸；丁酰-CoA 也可以通過乙酰-CoA 轉移酶途徑轉化為丁酸酯，腸道中的某些微生物可以同時使用乳酸鹽和乙酸鹽來合成丁酸鹽，從而防止乳酸鹽的積累并穩定腸道環境；還可以通過賴氨酸途徑由蛋白質合成丁酸，這進一步表明腸道中的微生物可以適應營養轉換，從而維持SCFA 的合成[13-14]。

1.2 SCFA 的轉運 SCFA 可以通過被動擴散滲透通過細胞膜，但它們的轉運主要依靠質子偶合單羧酸轉運蛋白1（MCT1/SLC16A1）和鈉偶合單羧酸轉運蛋白1（SMCT1/SLC5A8），MCT1 在腸細胞頂膜中以依賴H+的方式轉運SCFA，SMCT1 對SCFA 陰離子轉運與Na+偶聯轉運，其中MCT 的SCFA 陰離子轉運作用優于SMCT1 的轉運[15]。在人、小鼠和大鼠的結腸中觀察到MCT1 和SMCT1 顯著表達，且表達水平高于在回腸中的表達水平[16]。同樣對于反芻動物，MCT1 蛋白表達水平為近端結腸＞遠端結腸＞小腸[17]。另一方面，SMCT1主要在近端和遠端結腸以及回腸腸上皮細胞的頂膜中被檢測到。并且GF 小鼠可以通過細菌與腸道的重新定殖使結腸和回腸中SMCT1 表達降低的情況得到改善[18]。

MCT1 作為腸上皮細胞（IEC）中攝取丁酸的主要轉運蛋白，其表達受丁酸和碳水化合物誘導。研究表明在體外培養人小腸上皮細胞（AA/C1）中加入不同濃度的丁酸鈉時，Mct1基因與其蛋白的表達水平均隨丁酸鈉濃度的增加與培養時間的增長而升高，并且發現丁酸鈉吸收的最大速度顯著增加，但米氏常數沒有變化，說明丁酸鈉吸收增加是通過增加細胞膜上Mct1的表達來實現的[19]。此外，在離體豬結腸黏膜培養中研究發現，丁酸鹽的直接作用會使Mct1mRNA 表達上調[20]。

在大鼠飼糧中添加果膠后，其胃腸道Mct1水平上調，尤其是在結腸黏膜的頂膜中更為顯著[21]。在仔豬飼糧中添加燕麥β-葡聚糖，仔豬盲腸段Mct1表達水平升高[22]。也有研究表明，與可消化淀粉（DS）相比，日糧中添加RS 后，豬盲腸和結腸黏膜中Mct1mRNA的水平增加；而Smcct1mRNA 水平不受RS 或DS 飲食的影響，表明與Smcct1相比，RS 對Mct1表達有特異性調節[23]。另一方面，高蛋白飲食可導致豬結腸Mct1的表達減少，但不會影響丁酸水平，同時伴隨著TNF-α、IL-8和IFN-γmRNA 的表達增高，說明炎性環境會影響丁酸鹽轉運蛋白的表達[20]。

2 SCFA 在腸黏膜中的作用

SCFA 參與調節宿主多個系統功能，如腸道、血液、神經及內分泌系統，并因其具有抗炎作用而與腸道炎癥密切相關。SCFA 除了被MCT1 和SMCT1 等轉運蛋白吸收后可促進細胞代謝外，還可以作為信號分子影響腸道免疫系統，從而調控腸道炎癥[24]。大量研究表明，SCFA 主要通過激活細胞表面G 蛋白偶聯受體（GPCR）以及抑制組蛋白去乙酰化酶 （HDACs）來調控免疫功能[25]。

2.1 SCFA 對腸細胞增殖的影響 在GF 和經抗生素處理的無特定病原體（SPF）小鼠中，IEC 在腸道隱窩中的增殖活性以及沿隱窩-絨毛軸的遷移均明顯減弱，但在用革蘭氏陽性細菌以及口服SCFA 治療后，GF 和SPF 小鼠IEC 周轉率顯著增加[26]。丁酸在被IEC 吸收后，進入線粒體啟動三羧酸循環，從而為細胞提供能量，還可以促進組蛋白乙酰化，上調細胞增殖相關基因，促進細胞增殖[27]。

但丁酸對腸道干細胞的作用與IEC 不同。丁酸酯會通過充當HDAC 抑制劑并增強細胞周期負調節因子Foxo3 的啟動子活性來抑制腸道干細胞增殖[28]。完整的隱窩結構使得干細胞避免暴露于較高濃度的丁酸鹽中，但已分化的IEC 在更高濃度的SCFA 中不受抑制[29]。這些結果表明丁酸酯具有細胞類特異性作用。

此外，相較于正常細胞，丁酸可以抑制結腸癌細胞的增殖并誘導其凋亡，可能是因為癌細胞缺乏乳腺癌耐藥蛋白（BCRP，一種丁酸流出細胞的載體）使得丁酸累積，通過抑制HDAC，上調多種促凋亡蛋白和 （或）下調多種抗凋亡蛋白的表達，促使癌細胞凋亡[30]。但也有研究指出低劑量的丁酸會導致癌細胞的自噬[31]。

2.2 SCFA 對腸上皮屏障的影響 作為機體重要的防御機制之一，完整的腸上皮屏障可以將機體與腸腔內容物分開。而SCFA 對維護腸上皮屏障有著至關重要的作用，其中丁酸為主要因素[32]。SCFA 通過誘導小腸上皮細胞分泌IL-18、抗菌肽、黏蛋白并上調緊密連接的表達來調節小腸屏障的完整性[33]。丁酸可以促進腸道中MUC3和MUC5的表達從而增加黏液中黏蛋白的產生[34]。作為結腸細胞的主要能源，丁酸可以增強腸上皮細胞系中O2的消耗從而穩定缺氧誘導因子（HIF）[35-36]。HIF作為一種協調屏障保護的轉錄因子在維持腸道內環境穩態起著關鍵作用，上皮HIF-1α的缺失會增加對結腸炎的易感性[33,37-38]。研究表明，在用抗生素治療的小鼠或GF 小鼠中，HIF-1α的表達和丁酸水平均降低，但在補充丁酸后，HIF-1α的表達得以恢復[39]。并且在GF 小鼠結腸細胞中觀察到丁酸代謝通路受到抑制，而丁酸鹽的缺失使能量缺乏導致較低的ATP 水平，最終導致自噬，在用產生丁酸鹽的細菌對GF 小鼠進行再定植后，丁酸為結腸細胞供能將自噬抑制到正常水平[40]。總的來說，SCFA 對維護腸上皮屏障發揮重要作用。

2.3 SCFA 的抗炎作用

2.3.1 SCFA 作為GPCR 的配體 GCPR 廣泛存在于免疫細胞和腸上皮細胞中，SCFA 主要激活游離脂肪酸受體2（GPR43/FFAR2）、游離脂肪酸受體3（GPR41/FFAR3） 和羥基羧酸受體2（GPR109A/HCAR2）。GPR43/FFAR2 是一種Gi/o和Gq雙偶聯GPCR，其功能主要由Gi/o介導，但在腸道中只與Gq偶聯[41]。GPR43的配體主要是乙酸和丙酸，主要表達部位在結腸和小腸上皮細胞、腸內分泌細胞、結腸固有層細胞、脂肪細胞、骨骼肌等。GPR41/FFAR3 是一種Gi/o偶聯GCPR，配體親和力為丙酸＞丁酸＞乙酸，主要表達部位在結腸和小腸上皮細胞、結腸固有層細胞、脾臟、骨髓、脂肪組織及外周神經系統等[42]。GPR109A/HCAR2 僅與Gi/o偶聯，在腸道中丁酸和β-羥基丁酸酯作為其主要配體，主要表達部位在結腸和小腸上皮的頂膜和免疫細胞[43]。

SCFA 通過激活GPCR 來調節腸道功能，成為調節代謝異常和免疫的重要因素。在發炎期間，SCFA 通過激活GPR43 刺激中性粒細胞遷移并調節其活性氧的產生和吞噬作用[24,44]。在對野生型（WT）小鼠和Gpr43-/-小鼠加入葡聚糖硫酸鈉（DSS）后，Gpr43-/-小鼠在模型中表現出炎癥加劇、炎性因子表達增強，對2 種小鼠分別灌服乙酸后，WT 小鼠癥狀明顯減輕，而Gpr43-/-小鼠沒有發生變化，表明乙酸需要通過GPR43 才可以影響抗炎，隨后證實了是乙酸與結腸上皮細胞的GPR43結合后刺激K+流出和超極化，導致NLRP3 炎性體活化，從而誘導IL-18 釋放[45]。丁酸也同樣可以激活GPR109A，通過相同的機制來誘導IL-18 釋放[46-47]。SCFA也可以通過激活GPR41 和GPR43，從而抑制IL-6 和IL-8 的產生[48]。在IECs 模型中，丁酸通過體外結腸細胞系和離體小鼠結腸中的GPR109A 抑制脂多糖（LPS）誘導的轉錄因子-核因子κB（NF-κB）活化，且正常結腸中GPR109A 的激活不僅會阻斷LPS 誘導的NF-κB激活，還可以影響NF-κB 的基礎活性[49]。這些結果證實了SCFA 激活GPR109A 和GPR43 在控制炎癥和促進結腸上皮修復中的重要作用。SCFA 通過GPCR 誘導調節性T 細胞（Treg）增殖。研究發現，給GF 小鼠提供乙酸鹽和丙酸鹽后，激活GPR43 上調叉頭轉錄因子3（Foxp3）表達從而刺激結腸Treg 的擴增，從而增加IL-10 的表達[50]。丁酸也可以通過GPR109A 誘導巨噬細胞和樹突狀細胞（DC）調節Treg 擴增，增加IL-10的表達[33,47]，而乙酸可以誘導DC 上GPR41 促進腸道產生IgA[51]。

2.3.2 SCFA 作為HDAC 抑制劑 酶控制的組蛋白翻譯后修飾（HPTM）是基因表達調控的關鍵，其中最重要的是由乙酰基轉移酶（HATs）和脫乙酰基酶（HDACs）控制的組蛋白乙酰化[52]。HDAC 的過表達會導致組蛋白乙酰化減少，從而抑制基因表達[53]。SCFA 除了在細胞外作為信號分子產生抗炎作用外，還可通過轉運蛋白進入細胞后作為HDAC 抑制劑，從而參與調節促進許多疾病發病機理的基因的表達[25]。其中丁酸被認為是SCFA 中最有效的HDAC 抑制劑，而與之前報道不同的是，R-β-羥基丁酸酯未顯示出易于檢測的HDAC 抑制劑活性，并且對內皮細胞具有輕微的促炎作用[54]。

SCFA 可能通過抑制HDAC 作用于單核血細胞和中性粒細胞，從而減少這些細胞產生的促炎性腫瘤壞死因子（TNF），并導致NF-κB 失活，下調IL-2、IL-6、IL-8 等促炎細胞因子的表達[48,55-58]。其中，丁酸通過抑制HDAC3 使單核細胞衍生的巨噬細胞分化，增強其內在抗菌功能[59]。并且SCFA 通過HDAC 抑制增加組蛋白乙酰化，調節哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），通過增加mTOR 復合物的活性，增強葡萄糖氧化并生成乙酰輔酶A 來誘導T 細胞和調節性B 細胞（Bregs）中的IL-10 表達，并且mTOR-S6K 激酶途徑對于T 淋巴細胞的分化至關重要[60-61]。因此，不同于GPR41 或GPR43 途徑，SCFA 也可以通過抑制HDAC 促進T 淋巴細胞分化為效應T 細胞（Te）和Treg[27]。HDACs 可以通過影響Foxp3的乙酰化，導致Foxp3降解，所以SCFA 也可以通過抑制HDAC 增加Treg 細胞中Foxp3基因表達，防止蛋白酶體降解以及增強Foxp3的穩定性和活性，從而抑制炎癥反應[50,62]。另一方面，在鼠模型研究中發現，Foxp3的乙酰化促使其與IL-2 啟動子區域的結合，從而導致內源性IL-2 分泌受到抑制，而IL-2 可以抑制Treg 細胞產生干擾素-γ（IFN-γ）。同時SCFA 通過HDAC 抑制作用，會導致關鍵DC 調節劑的表達降低，從而導致DC 發育的減弱[63-64]。

對于HPTM，除了乙酰化，還有其他翻譯后修飾，如甲基化、丙酰化、巴豆酰化、丁酰化和2-羥基異丁酰化等[65-66]。近期研究數據表明，組蛋白巴豆酰基化比組蛋白乙酰化直接刺激轉錄的程度更強[67]，其中，SCFA 對巴豆酰化過程至關重要，有把巴豆酰-CoA 與組蛋白賴氨酸殘基連接起來的作用[68]。另外，對小鼠進行抗生素治療后，隨著腸道微生物菌群的耗竭，腸腔和血清SCFA 水平降低，導致HDAC2 在腸道中的表達增加，并導致組蛋白巴豆酰化顯著下降[69]。SCFA（主要是丁酸）通過抑制結腸上皮細胞中的HDAC 的去巴豆酰化酶活性來促進組蛋白巴豆酰化。通過分析鼠類結腸、大腦、肝臟、脾臟和腎臟組織中的巴豆酰化水平，發現在腸道中最高，尤其是小腸和結腸的隱窩部分，在大腦中次之[52]。在檢測丁酸濃度后發現，其水平在腸道中最高，但在血清中也不低，這可能解釋了不僅可在腸道，而且還在遠端組織中（如大腦）觀察到巴豆酰化。

3 總結與展望

隨著對SCFA 研究的深入，人們逐漸了解到SCFA對宿主健康的重要性。SCFA 通過直接或間接作用影響著宿主腸道健康，因其具有供能、維持腸道穩態、抗炎和調節免疫等作用，所以對抵御腸道疾病有一定的作用。然而，SCFA 的活性機制尚需進一步研究。對于機體而言，目前尚不清楚是SCFA 本身還是和細菌其他代謝物聯合產生有益作用，因為其他代謝產物也可能具有基本的信號傳導功能，如膽汁酸和氨基酸衍生物等。而對于不同個體，相同的SCFA 濃度卻可能導致腸炎癥減輕或加重2 種不同的結果，這可能是由于環境或遺傳背景等原因導致的，因此對于SCFA 具體的適宜作用濃度目前還沒有一個標準。對于近期發現的HPTM（如巴豆酰化），目前對其調節和組織特異性功能了解甚少。而SCFA 不僅影響腸道環境，還能影響遠端器官。在后續的研究中需進一步了解SCFA 與菌群間的互作、如何調節炎癥、是否可以通過調整飼糧來改善和預防腸道炎癥。