【提要】 腸道菌群可調節宿主的營養吸收、能量代謝、免疫等生理過程，是人體的重要“器官”。研究發現，腸道菌群豐度呈晝夜節律震蕩，且腸道菌群晝夜節律( 腸道生物鐘) 失調可導致腸道菌群及代謝物質變化，對宿主的代謝功能產生深遠影響。本文對腸道菌群及腸道生物鐘對宿主代謝的作用機制及影響因素進行綜述。

　　【關鍵詞】 生物鐘; 腸道菌群; 代謝功能; 信號通路; 代謝功能障礙; 影響因素; 綜述

　　通過分子機制調節機體活動的最佳時間及節律，稱為生物鐘[1]。生物鐘存在于大腦中樞神經系統，所有細胞都表達時鐘基因，都有晝夜節律。中樞生物鐘通過神經元連接、內分泌信號、體溫等向大腦和外周器官傳遞節律信號，通過調控基因的節律性表達產生生理功能相關性節律[2]。腸道菌群參與宿主營養吸收、能量代謝、免疫等生理過程，是人體的“重要器官”。2004 年美國華盛頓大學 Bckhed 等[3]首次系統報道了腸道菌群與宿主代謝的關系，認為小鼠腸道菌群影響其脂肪存儲的水平，高 脂、高糖飲食可導致小鼠腸道菌群變化。 Chu 等[4]研究發現，嬰兒腸道微生物群受母體膳食攝入的影響，母體膳食失衡可能導致嬰兒產生代謝疾病。研究發現，腸道菌群豐度呈晝夜節律震蕩( 即腸道生 物鐘) ，并參與宿主的新陳代謝調節[5 - 6]。

　　1 腸道菌群調節宿主代謝功能信號通路

　　1. 1 短鏈脂肪酸代謝通路 腸道菌群分解食物產生短鏈脂肪酸( short-chain fatty acids，SCFAs) ，包括乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽。這些產物可作為直接能量來源被小腸上皮細胞吸收利用，其中丁酸鹽是結腸細胞的重要能量來源，而丙酸鹽和乙酸鹽能被迅速吸收來作為肝臟能量來源。den Besten 等[7]的研究顯示 SCFAs 能激活肝臟和肌 肉 過 氧 化 物 酶 體 增 殖 物 激 活 受 體 ( peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR) -γ 和 PPAR-γ 家 族受體，從而調節葡萄糖攝取和脂肪酸的氧化。丁酸鹽通過關鍵的 PPAR-γ 通路抑制了腸道細胞中誘導型一氧化氮合酶的表達，減少誘導型一氧化氮合酶和硝酸鹽的產生[8]。因此，腸桿菌科細菌無法利用硝酸鹽進行有氧呼吸，抑制了細菌的繁殖，維持了腸道菌群穩態。動物實驗表明，膳食補充劑乙酸鹽可以改善肥胖癥及胰島素抵抗[9]。然而，最近另一項動物實驗結果顯示乙酸鹽可通過交感神經調節代謝通路從而誘導肥胖和胰島素抵抗[10]，但是目前尚未有臨床試驗證明。

　　此外，SCFAs 還 可 以 通 過 與 其 G 蛋 白 偶 聯 受 體 ( G protein-coupled receptor，GPR) 43、GPR41 等結合，參與炎癥 形 成，同 時 刺 激 胃 腸 激 素 酪 酪 肽 ( peptide YY， PYY) 的分泌[11]。PYY 具有抑制腸道蠕動、延長食物攝取時 間、調節食欲和維持葡萄糖穩態的作用。小 鼠 GPR41 基因敲除后 PYY 表達顯著下降[11]，通過增加外源 PYY 可明顯降低食欲，減少攝食量。Cani 等[12]研究發現，細菌蛋白質可促進腸道細胞分泌 PYY 和胰高血糖素樣肽-1，通過中樞和外周神經系統增強飽腹感，抑制食欲，從而減輕體重和胰島素抵抗。腸道菌群還可能通過調節胰高血糖素樣肽-2 表達而影響腸道通 透性[13]。

　　1. 2 氧化三甲胺代謝通路 腸道細菌在消化營養物質 ( 膽堿、卵磷脂和肉堿) 的過程中會產生三甲胺。三甲胺被肝酶黃素單氧化酶激活為三甲胺氧化物[14]。代謝產物三 甲 胺 氧 化 物 與 個 體 心 血 管 疾 病 的 發 病 有 密 切聯系[15 - 17]。Shih 等[18] 發現抑制三甲胺/黃 素 單 氧 化酶 3 /三甲胺氧化物通路可能會抑制腸道膽固醇代謝和脂肪組織甾醇代謝。膽汁酸是膽固醇的代謝產物，能增加脂溶性物質的溶解，且可激活回腸和肝臟中法尼酯 X 受體、內 分 泌 L 細 胞 的 G 蛋白偶聯受體膽汁酸受體 5 [19]。因此，腸道細菌可通過改變代謝產物的理化性質，參與調節能量代謝。

　　1. 3 脂 多 糖 代 謝 通 路 脂 多 糖 ( lipopolysaccharide， LPS) 是革蘭氏陰性細菌細胞壁外層最重要的組成成分，是內毒素產生生物學效應的主要活性物質，可以引發宿主炎癥反應從而加劇慢性炎癥疾病，如 肥 胖、胰 島 素抵抗等。有研究[20]分別予以小鼠正常和高脂飲食，4 周后高脂飲食小鼠出現肥胖 和 胰 島 素 抵 抗，肥 胖 小 鼠血 LPS 濃度 上 升 了 2 ～ 3 倍，腸 道 菌 群 組 成 結 構 發生變化; 該研究將 LPS 皮下注入正常飲食的野生小鼠，4 周后小鼠 身 體、肝 臟 和 脂 肪 組 織 的 重 量 增 加，出 現空腹高血 糖 和 胰 島 素 血 癥。LPS 與脂多糖結合蛋白 ( lipopolysaccharide-binding protein，LBP) 結合，經 CD14 + 呈遞給跨膜蛋白 Toll 樣受體蛋白 4( Toll-like receptor 4， TLR4) ，形成 LPS-LBP-CD14 + / TLR4 信號 轉 導 途 徑，其通過激活 Toll 樣受體蛋白 - 髓樣分化因子 88-核因子 κB 信號通路而引起相應免疫答應，同時促進炎癥因子腫瘤壞死因子 α、白細胞介素( interleukin，IL) -6、IL-10 等釋放，引發慢性低度免疫炎癥[21]。有學者使用基因敲除小鼠證實了 CD14 + / TLR4 /髓樣分化因子 88 信號轉導復合物 在 LPS 誘導的細胞炎癥反應中具有重要作用[22]。此外，研究發現脆弱擬桿菌能夠將 LPS 通過細菌外膜囊泡的分泌小泡傳遞到宿主的腸道樹突細胞中，進而誘導樹突細胞分泌 IL-10 并促進調節性 T 細胞的分化[15，23]。

　　2 腸道生物鐘紊亂與代謝功能障礙

　　目前晝夜節律失調導致代謝功能障礙的機制尚未被闡明，但是腸道菌群的變化是代謝功能障礙的相關反應之一[5 - 6]。因此，學者們對腸道生物鐘如何通過腸道菌群調控宿主代謝的機制進行了研究。

　　2. 1 腸道菌群的晝夜節律 高脂、高糖飲食可導致小鼠腸道菌群差異變化，其中厚壁菌門、變形菌門的細菌豐度增加，擬桿菌門細菌豐度降低[3]。腸道菌群的組成和代謝呈晝 夜 節 律 模 式。已有研究表明相對豐度約 15% 的各種細菌類群呈現晝夜節律震蕩，占全部腸道菌群的 60%[5 - 6，24]。其中，產氣腸桿菌在人腸道外表現出晝夜節律，其對分泌到胃腸腔內的神經激素 - 褪黑激素敏感，并表現出群集和運動的晝夜節律模式[25]。通過生物鐘基因突變或時差破壞宿主生物鐘，可消除腸道菌群白天節律性震蕩[6，24，26]。

　　2. 2 TLRs 受體 腸道菌群的完整性是腸道上皮的生物鐘基因表達所必需的。Mukherji 等[27]發現腸上皮細胞中 RORα 激活劑和 Rev-erbα 抑制劑的相關基因可調控 TLRs 晝夜節律性的表達，RORα/Rev-erbα 的調節可將暫時無節律的菌群信號轉化為 c-Jun 氨基末端激酶和 IkB 激酶 β 的晝夜節律性活動，防止 Rev-erbα 被 PPAR-α 激活，破壞生物鐘。此外，腸道菌群通過激活轉錄因子活化蛋白-1 和髓樣分化因子 88-核因子 κB，與 RORα 和Rev-erbα 共同作用，維持腸上皮細胞生物鐘穩態。腸道菌群呈現出節律性的定位以及代謝物分泌，決定了腸上皮對不同細菌物種及其代謝物的節律性暴露[28 - 29]。

　　2. 3 肝臟時鐘 研究發現宿主腸細胞存在節律性的暴露及染色質重編和轉錄，同時腸道菌群的節律性可調控肝臟時鐘基因表達和解毒反應[28 - 29]。特定腸道菌群的代謝物，特別是 SCFAs( 如丁酸鹽) ，可以調節肝細胞中的時鐘基因表達[29]。Murakami 等[30]的研究表明代謝產物可直接激活或通過膽固醇調節元件結合蛋白-1 來間接調節高脂飲食誘導肝臟中的 PPARγ 活性，進而導致肝臟時鐘的轉錄重編。Montagner 等[31]利用無菌小鼠實驗證實了腸道菌群通過調控肝臟時鐘，調節 PPAR-α、孕烷 X 受體、組成性雄烷受體和肝 X 受體 α 的下游靶基因及其效應物，從而調節脂質、葡萄糖和膽固醇代謝。膽固醇在肝內經膽固醇 7α-羥化酶轉為膽汁酸，膽汁酸是腸道微生物群的調節者[32]，它們的生產和分泌受生物鐘的控制[33 - 34]。Govindarajan 等[35] 提出腸道菌群的膽汁鹽水解酶可能參與調控腸道及肝臟時鐘，其中肝時鐘調節因子( 包括 D-雙功能蛋白) 和相關基因( Per2、 Per3 和 Cry2) 的變化顯著。

　　3 腸道生物鐘紊亂的影響因素

　　3. 1 性別 研究證實腸道菌群在不同性別之間存在差異[36]。因此，不同性別的宿主生物鐘受到破壞后，腸道菌群的變化不同。Liang 等[26]發現腦和肌肉組織芳香烴受體核轉運蛋白的類似蛋白 1( brain and muscle ARNT-like protein-1，BMAL1) 基因敲除小鼠的糞便菌群晝夜節律消失，但雄性與雌性小鼠糞便中菌群豐度的改變不同。 Org 等[37]在小鼠睪丸切除術后使用睪酮，可以恢復腸道菌群組成中與性腺切除有關的改變，并逆轉了膽汁酸組成中的性別特異性差異。這說明性激素可介導腸道菌群的變化。同時，睪酮等類固醇的生成需要生物鐘蛋白 BMAL1[38]。因此，腸道菌群的性別差異可能與睪酮和膽汁酸等激素有關，生物鐘和性別之間的相互作用影響著腸內微生物群的晝夜節律和組成。

　　3. 2 飲食 晝夜節律調節哺乳動物中樞生物鐘，而外周腸道生物鐘( 腸道菌群晝夜節律性變化) 主要由進食節律控制[5 - 6]。進食節律通過營養素利用率的變化從而調節各種微生物功能: 營養物質可利用期間，微生物的能量吸收、細胞生長和 DNA 修復功能占主導地位，而在禁食期間以解毒為主。同時進食節律驅動腸道菌群總體群落的變化( 優勢細菌的變化) [6]。Leone 等[29]研究了高脂飲食對腸道菌群晝夜節律的影響，發現高脂飲食的小鼠中菌群豐度的晝夜節律性受到抑制，其中受到影響的細菌主要為毛螺菌科( SCFAs 生產菌) 的成員; 相反，先前沒有節律的細菌，例如產生硫化氫的細菌( 即硫酸鹽還原菌) ，在宿主小鼠高脂飲食時即表現出節律性; 然而，小鼠限時高脂飲食后，腸道菌群的晝夜節律可以部分恢復，葡萄糖耐量可恢復正常，并防止小鼠肥胖。另外，Zarrinpar 等[5]的研究結果也顯示飲食誘導的肥胖小鼠的腸道菌群晝夜節律性減弱，而限制時間喂養可以部分恢復周期性波動。Thaiss 等[6]的研究顯示，生物鐘基因敲除小鼠的攝食節律減弱，而攝食節律的恢復可以幫助腸道菌群豐度的震蕩( 即晝夜節律性) 。這些結果均提示，在高脂高糖飲食影響下，腸道菌群可以調節或改變晝夜節律和宿主代謝功能。

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　　4 展 望

　　目前較多研究揭示腸道菌群失調及生物鐘都與機體代謝功能障礙相關。而近期研究發現腸道上皮細胞與腸道菌群本身存在晝夜節律特點，與中樞生物鐘有著密切聯系，但兩者具體作用機制尚不清楚。中樞生物鐘系統如何協同外周生物鐘調控一系列下游基因及相關生理反應，并最終導致腸道菌群失調，引發代謝功能障礙均有待進一步探索，這一過程的發生機制是腸道菌群組及生物鐘組研究的方向，具有巨大的挖掘價值。