腸道疾病與生物鐘節律紊亂關系研究進展

左曉彤 吳巧鳳，2，3

成都中醫藥大學1針灸推拿學院，2針灸與內穩態調節研究所，3針灸與時間生物學四川省重點實驗室（成都 610075）

生物體通過感知環境中的溫度、光和食物等周期信號，與外界環境保持周期同步，從而產生以24 h 為周期的節律性變化，這種現象為生物節律（biological clock），又稱生物鐘［1］。生物節律通過調控機體生長、衰老、能量代謝以及情緒來調節機體器官活動以及休息的周期，這些過程不僅受晝夜節律的調節，反過來也能影響晝夜節律。大約有10%～20%的哺乳動物基因處于晝夜節律控制之下，哺乳動物生物鐘由中樞生物鐘和外周生物鐘兩部分組成。中樞生物鐘位于下丘腦的視交叉上核神經元（hypothalamus suprachiasmatic nucleus，SCN）中，作為晝夜節律的起搏點調節包括睡眠、覺醒、溫度、自主神經系統張力、攝食周期、情緒和運動等多種生理過程［2］。外周生物鐘分布在全身大多數細胞和肝臟、胃腸道、平滑肌、骨骼肌、脂肪組織中，發揮調節局部組織細胞等適應器的節律活動以及組織特異性基因表達的作用。生物節律主要依靠生物鐘基因調控，目前發現的主要生物鐘基因有PER1、PER2、PER3、CRY1、CRY2、CLOCK、BMAL1、CK1ε、TIM、NPAS2 和RORα 等［1］，其中核心轉錄因子為BMAL1、CLOCK、CRY1、CRY2、PER1、PER2、PER3以及微調內核時鐘的其他組件，包括REV-ERB和SIRT［3］。

腸道的消化吸收、運動、腸黏膜穩態等功能與生物鐘節律密切相關，腸道生物鐘保持正常節律是腸道發揮正常功能的必要條件之一，腸道疾病患者多見失眠等節律紊亂癥狀，而節律周期紊亂的患者也往往伴有腸道功能失常，提示兩者相互關聯，本文將就此作總結和綜述。

1 生物鐘節律紊亂是多種腸道疾病的共性特征

許多腸道疾病存在生物鐘節律紊亂現象，如腸易激綜合征（irritable bowel syndrome，IBS）、炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）、克羅恩病（Crohn's disease，CD）、潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC）及腸道腫瘤等，并且生物鐘節律紊亂會加重疾病的嚴重程度或伴隨癥狀。輪班工作會增加胃腸道問題的風險，尤其是消化不良和消化性潰瘍［4］。MOSNA 等［5］對比了CD 患者、UC 患者以及無IBD 患病史的結直腸癌患者腸黏膜上皮細胞中8 種晝夜節律蛋白（BMAL1、BMAL2、PER1、PER2、PER3、CLOCK、NPAS2 和TIMENTER）的表達，發現IBD 患者黏膜上皮中5 種晝夜節律蛋白（BMAL1、PER1、PER3、TIMLESS和NPAS2）的表達降低，且IBD患者黏膜內炎性細胞BMAL1表達降低。

動物研究進一步證實生物鐘節律紊亂會加劇腸道疾病的發展，患有生物鐘紊亂的小鼠更易患結腸炎［6］，導致結腸中的線粒體能量代謝降低并加劇結腸炎小鼠的炎癥反應［7］。

生物鐘節律與腫瘤的發生有密切聯系，尤其是長期輪班工作以及夜間暴露于光照環境的工人，夜間暴露于藍光光譜環境與結直腸癌發病率呈正相關［8-9］。

2 生物鐘節律紊亂參與腸道疾病的機制

2.1 腸道動力結腸的運動存在晝夜節律［10］。HOOGERWERF 等［11］發現野生型小鼠的排便及結腸環行肌收縮力具有節律性，而Per1、Per2 基因敲除小鼠這種節律性消失。胃腸道的主要抑制性神經遞質神經元型一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide synthase，nNOS）的表達受生物鐘控制，敲除nNOS 基因后結腸環形肌收縮力和排便節律性減弱［12］。晝夜節律的紊亂很可能會對胃腸動力產生負面影響，從而誘導或加重以運動障礙為特征的腸道疾病，如功能性消化不良、腸易激綜合征等。

2.2 腸黏膜屏障腸道屏障能保護宿主免受腸腔中存在的有害物質和微生物的侵害，維持腸道屏障對人類健康至關重要。腸黏膜機械屏障由黏膜上皮細胞和細胞間連接結構構成［13］，晝夜節律紊亂易導致腸道上皮屏障的破壞，從而使促炎細菌產物（如內毒素）跨過腸壁進入體循環，造成疾病。腸黏膜上封閉蛋白（Occludin）、封閉小帶（Zonula occludens，Zo）、緊密連接蛋白（Claudins）、連接黏附分子（junctional adhesion molecules，JAM）等緊密結合蛋白組成的多種蛋白質復合物也存在晝夜節律。節律紊亂導致大鼠結腸緊密連接Occludin、Claudin1、Claudin3 和Zo-1 表達降低，損傷腸道上皮緊密連接完整性，使腸道通透性增加從而易患腸道炎癥疾病［13］。

KYOKO 等［14］發現野生型小鼠體內Occludin 和Claudin-1 的mRNA 表達呈節律性變化，Claudin-2、-3、-4、-7、Zo-1 和Jam-A 水平無節律性變化。結腸中PER1、PER2、CRY1 和BMAL1 的mRNA 水平也呈節律性變化，但與Occludin 和Claudin-1 的變化趨勢相反（表1）。野生型小鼠腸上皮細胞（intestinal epithelial cells，IECs）中Occludin 和Claudin-1 的蛋白表達與mRNA 有節律性，但mPer2m/m 小鼠體內以及IECs 中無論基因水平還是蛋白表達均無節律性。人結腸上皮細胞中的Clock 和Bmal1能與Occludin 和Claudin-1 基因啟動子區域的Ebox 元件結合，從而調節緊密連接蛋白的轉錄。Clock-Bmal1 異源二聚體可能通過調節Occludin 和Claudin-1 的表達水平以影響緊密連接蛋白的功能，從而調節結腸通透性，且CLOCK 在生物鐘的轉錄-翻譯反饋環路中起積極的作用，而PER2 則起消極的作用。

表1 小鼠體內不同基因與節律的關系Tab.1 The relationship between different genes and rhythms in mice

2.3 腸道菌群腸道微生物群是指棲息在胃腸道中的微生物，細菌占腸道微生物群的98%。腸道菌群參與宿主營養吸收、能量代謝和免疫反應等生理過程，腸道菌群的構成、功能以及定植位置均存在晝夜節律，主要受宿主生物鐘以及攝食行為的影響，宿主生物鐘與腸道菌群晝夜節律間存在動態相互作用。

2.3.1 腸道菌群本身具有晝夜節律腸道菌群的豐度、構成及功能會受晝夜環境更替的影響，表現出節律性以及侵入和定植腸道的能力［15］。THAISS等［16］發現超過15%的小鼠腸道細菌數量有周期性波動，以乳桿菌目和脫鹽桿菌目為主，并且白天休息時期，乳桿菌菌群豐度高，主要涉及解毒、運動和環境感知功能。而夜間活動期，厚壁菌和擬桿菌菌群豐度高，主要參與能量代謝、DNA 修復和細胞生長。

腸道菌群在腸道的定植位置位置以及深度都呈節律性變化，相比白天，腸道黏膜上皮細胞和腸道菌群的空間位置在夜間更為接近，定植位置的移動會影響腸道菌群與宿主間的互作進而影響宿主的生物鐘節律［17］。

2.3.2 腸道菌群與宿主生物鐘之間存在動態相互作用宿主生物鐘能影響腸道菌群豐度與功能，與節律正常大鼠相比，晝夜節律紊亂大鼠腸道擬桿菌門豐度增加，厚壁菌門和放線菌門豐度減少［13］。MORTAS 等［18］研究發現與白天工作相比，夜間工作時人群腸道菌群擬桿菌門的相對豐度降低，放線菌和厚壁菌門的相對豐度增加。腸道菌群的節律性也可反作用于宿主生物鐘，影響其正常功能，腸道菌群的節律粘附會影響腸道中的晝夜節律轉錄組，還能編程外周生物鐘中的節律轉錄［17］。

生物鐘與機體代謝關系密切，能參與機體各系統的代謝過程，主要通過神經與體液途徑調控機體的睡眠-覺醒以及進食行為，從而使機體的能量需求和營養供給呈現出晝夜節律性［19-20］。腸道菌群參與碳水化合物、氨基酸及脂質代謝過程，主要通過短鏈脂肪酸代謝通路、氧化三甲胺代謝通路及脂多糖代謝通路調節宿主代謝功能，并且能通過代謝物如丁酸鹽、膽汁酸等間接調節晝夜節律［21-22］。宿主生物鐘易受環境因素的影響，若生物鐘紊亂會增加肥胖和代謝障礙相關疾病的風險，肥胖與代謝障礙相關疾病的發作主要與腸道菌群的改變相關，包括厚壁菌門與擬桿菌門的比例增加，變形桿菌的相對豐度增加［23］。腸道菌群的變化能夠誘導或減輕代謝障礙相關疾病，從而影響宿主代謝。宿主的生活方式以及攝食習慣也會影響腸道菌群。錯誤時間進食會改變小鼠的結腸節律相位，降低產生短鏈脂肪酸的細菌和丁酸鹽的水平，促進結直腸癌的發展［24］。高脂飲食喂養的小鼠更易出現腸道菌群的失衡和腸道功能的障礙，導致腸道疾病癥狀加重以及代謝性疾病的發展［25］。

腸道的免疫功能與腸道菌群密切相關。腸道菌群中有多種益生菌，如乳桿菌類、雙歧桿菌類等，通過調節樹突狀細胞（DCs）、單核細胞、巨噬細胞以及T 和B 淋巴細胞起到維持腸道免疫穩態及宿主免疫系統活性的作用［26］。宿主生物鐘可以通過調控腸道菌群從而間接參與機體的免疫調節，通過控制攝食節奏以驅動節段性絲狀細菌（segmented filamentous bacteria，SFB）在腸道上皮的附著使先天免疫效應器上皮抗微生物蛋白表達產生晝夜節律，導致小鼠對鼠傷寒沙門氏菌感染的抵抗力出現晝夜節律變化［27］。

3 總結及展望

本文闡述了生物鐘紊亂與腸道疾病間的關系及生物鐘紊亂導致腸道疾病的機制。腸道菌群與宿主生物鐘之間的互作能夠維持機體腸道穩態，作為治療疾病的靶點［28］，可利用腸道菌群的特征找到對不同機體、不同疾病的最佳給藥時間、方式以提高藥物利用度和療效，減少毒副作用［29］。以晝夜節律為導向的治療措施或許能夠改善腸道菌群狀態，從而預防或減輕腸道疾病的發生與癥狀［30］。

目前生物鐘基因的研究主要集中在核心轉錄因子上，其他轉錄因子是否會影響腸道節律還有待繼續深入研究。結合目前治療腸道疾病的方法，未來治療腸道疾病可將腸道菌群與晝夜節律相結合，采取益生菌+限時進食+規定作息的方式，利用腸道菌群與宿主生物鐘的互作關系達到療效最大化。