腸道微生物調控脂質代謝的分子機制

黃小燕 王根虎

(上海亙泰實業集團，上海 201615)

在人和動物腸道內定植著龐大的微生物菌群，它們的基因數加起來有宿主基因數的數百倍之多。越來越多的研究也已經表明，腸道菌群作為一種“內化了的環境因子”，可以直接調控動物的脂肪合成與存儲相關基因的表達，從而改變了動物的能量代謝，使其向過度合成和存儲脂肪的方向發展，最終導致肥胖的形成。美國科學院院士戈登教授的實驗室進行了一系列有關菌群和肥胖關系的實驗，發現了一個比較出乎意料的結果，在飼喂相同日糧的條件下，有菌動物比無菌動物代謝消耗大、吃得少，但是體內脂肪存儲的量反而多很多。這一結果提示我們，腸道菌群有能在減少熱量攝入的條件下促進動物增加體內脂肪總量的作用，也就是說，腸道菌群可以幫助動物更加高效地利用飼料來合成、儲存更多的脂肪。說明腸道菌群在調控宿主脂質代謝方面有著很重要的作用，而菌群調控脂質代謝的過程的機制也成了當下研究的熱點。

1 腸道微生物對脂質合成的調控

腸道菌群能分解日糧中的多糖，改變能量的攝入，而能量的攝入增加往往伴隨著腸道菌群發酵能力的提高，與肥胖相關的腸道菌群在提高了自身發酵能力的同時也發酵產生了更多的短鏈脂肪酸（SCFA）。SCFA具有為某些器官提供能量來源的功能，比如結腸黏膜、肝臟、部分的肌肉組織和脂肪組織。Bjursell等（2011）和 Samuel等（2008）的研究表明，敲除了SCFA的受體Gpr41或Gpr43的小鼠都會變得更瘦，這一結果說明SCFA是使機體變胖的重要因素[1-2]。

Preiss等研究發現，無菌動物接種常規動物的盲腸內容物后，發現微生物誘導的附睪脂肪墊重量的增加，血漿胰島素水平增加，附睪脂肪墊和心臟中的脂蛋白脂肪酶(LPL)活性分別增加了122%和99%，LPL是脂肪酸從肌肉、心臟及脂肪中三酰甘油脂蛋白釋放出來的關鍵調節器[3]。脂肪細胞LPL活性的增加導致了細胞吸收脂肪酸的增加及脂肪細胞甘油三酯的積累，而胰島素水平的增加導致肌肉中LPL活性下降[4]。

當無菌鼠的腸道定植菌群后，不僅能促使多糖更多的發酵成SCFA，而且還能提高小腸內葡萄糖的吸收能力[5]。機體內SCFA和葡萄糖水平的提高帶來的一系列問題就是肝臟內脂質的合成增加以及超低密度脂蛋白（VLDL）數量的增加，也會影響小腸分泌蛋白的mRNA的表達量，例如血管生成素樣蛋白（Angptl4）。Angptl4是LPL的抑制因子，同時也能被脂肪因子誘導。無菌鼠腸道菌群的定植會抑制回腸Angptl4的表達量，同時提高LPL的活性和增加白色脂肪組織內脂肪的儲存。也有研究表明，當無菌鼠的Angptl4基因被敲除后，會產生類似于菌群定植無菌鼠的肥胖[5]。這些研究結果都表明，腸道菌群能降解日糧中的多糖，產生能合成脂肪的物質，并進入脂肪組織，這或許是腸道菌群能產生肥胖的機制之一。

2 腸道菌群對脂肪酸氧化的調控

脂肪酸的氧化是動物體內脂肪酸分解的途徑，也是脂質代謝的重要環節，這個途徑也涉及到很多相關基因的調控。Fleissner等研究表明，無菌鼠在飼喂易誘導肥胖的日糧時，具有抵抗產生肥胖的功能[6],這一結果說明，腸道菌群不僅影響腸道能量的攝入，同時也影響了宿主自身的代謝。Backhed等研究表明，無菌鼠長的瘦的原因主要是提高了體內腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）的活性，因為AMPK能下調骨骼肌和肝臟內與脂肪酸氧化相關的分子(乙酰輔酶A羧化酶,肉堿軟脂酰轉移酶）基因的表達量[7]。AMPK在機體內是一個能量監控器，具有監控分子能量狀態的功能,還可能提高無菌鼠骨骼肌脂肪酸的氧化能力。有研究表明，如果無菌鼠飼喂沒有蔗糖的高脂日糧，該無菌鼠也會在該日糧的作用下變胖[6]。由此可見，抵抗住易誘導肥胖日糧的無菌鼠在不能利用蔗糖作為能量的來源的情況下，也會變的肥胖。

正如前面提到的，腸道菌群能抑制腸道Angptl4的表達，該腸道因子不僅能調控LPL的表達量，也是脂肪酸氧化的一個有效調節因子。進一步的實驗也證明，無菌鼠脂肪酸相關基因也會被Angptl4調控，敲除了Angptl4基因的無菌鼠不再能抵抗住易誘導肥胖的日糧的增肥作用[7]。很明顯，Angptl4對脂肪酸氧化的調控作用并不是通過AMPK來發揮作用的，這就說明了無菌鼠能通過兩個相互獨立的機制來提高脂肪酸代謝，進而實現其對誘導肥胖日糧抵抗的調控。

3 微生物對膽汁酸功能的調控

膽汁酸在肝臟中產生，存儲在膽囊，并在攝入食物后被分泌到十二指腸。在很長一段時間內，膽汁酸被認為是脂質吸收的單一乳化劑，但是在過去十年，膽汁酸也被發現能作為有效的信號分子調控其它代謝途徑。腸道菌群是膽汁酸代謝很重要的調節因子，腸道菌群既能調節膽汁酸的合成也能促使它產生次級代謝產物[8]。因此，無菌鼠與定植菌群鼠相比，膽汁酸的多樣性會減少很多。

膽汁酸能與細胞的細胞核受體和G蛋白偶聯受體(GGPCRs)結合從而激活信號途徑。細胞核受體FXR(一種膽汁酸受體)被認為是第一個識別膽汁酸的受體，也被證明了在宿主脂質代謝中占有重要地位。FXR的激活會導致一些代謝途徑相關基因轉錄水平的改變，包括膽汁酸的合成，膽固醇的生產和葡萄糖的代謝途徑。而且，無菌鼠膽汁酸會發生兩種方式的變化，第一種是FXR依賴途徑相關基因的改變，第二種是葡萄糖和脂質代謝途徑相關基因的改變。有研究表明，細胞核受體FXR的激活能改善糖尿病小鼠高血糖癥和血脂質過多癥，同時也是腸道菌群影響宿主代謝的新途徑[9]。

最近又發現，膽汁酸膜受體TGR5是膽汁酸的第二個受體，這個受體活性最高的激動劑是石膽酸，石膽酸是鵝去氧膽酸被菌群脫羥基后形成的。膽汁酸通過TGR5提高cAMP水平，導致褐色脂肪組織的能量消耗的增加，進而阻止肥胖和胰島素抵抗[10]。有研究表明，TGR5表達量的最高部位是結腸，特別是在L-腸分泌細胞內[11-12]。最近還發現，當TGR5被激動劑INT-777激活后能靠提高L-細胞對胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的分泌量來調節宿主代謝。這樣的處理改善了肥胖鼠葡萄糖的耐受和肝臟功能，與此同時，TGR5敲除鼠在采食高脂日糧時表現出被損傷的葡萄糖耐受[13]。因此，不同個體的具有變異性的菌群能導致特定的膽汁酸種類的生成，進而激活FXR和TGR5,最終完成對宿主代謝的調控。

4 腸道菌群對腸道內分泌功能的調控

腸道通過神經和內分泌途徑與下丘腦互動來調控能量平衡。腸道特殊的內分泌細胞能產生分泌激素類物質，這些特殊的內分泌細胞分布在整個胃腸道，即從胃到結腸遠端的上皮細胞。腸內分泌細胞占整個腸黏膜細胞數量的1%，是體內具有能分泌激素細胞最多的器官，能通過分泌激素來促進采食[14-15]。先前的報道已經證實，微生物具有調控腸內分泌細胞和釋放激素的功能[16]。腸內分泌細胞能表達SCFA受體Gpr41，也受腸道菌群發酵能力改變的影響。最近的報道也表明，敲除了Gpr41基因的小鼠既使腸道定植菌群后也同樣會變得同野生鼠一樣瘦，然而在體成分上跟無菌野生鼠和Gpr41基因敲除小鼠并無明顯差異[17]。定植了菌群的野生鼠能提高Gpr41的活性，導致酪酪肽PYY表達量的增加，降低了腸道通過率，進而增加能量的攝入和增加肝臟脂質的合成[17]。與此同時，菌群發酵產生的SCFA不僅能作為能量來源，而且還能作為調控能量提取的信號分子。

5 腸道微生物的組成對脂質代謝的調控

腸道微生物對哺乳動物肥胖的貢獻,不只是通過調節生物能量代謝網絡途徑內的某一個點起作用。它不僅可以利用多糖，還可以通過改變腸道微生物組成或調節宿主相關脂質代謝的酶，來影響宿主能量平衡。

近年來越來越多的研究發現，不同的腸道微生物對脂質代謝和體脂的沉積是有差異的。Ley等發現，肥胖人糞便或小鼠盲腸內容物的擬桿菌門數量低于瘦人或瘦鼠，而硬壁菌門數量高于瘦人或瘦鼠;用限制脂肪或碳水化合物日糧降低肥胖人的體重后，檢測其糞便菌群發現擬桿菌門數量顯著增加，而硬壁菌門數量有所下降。這些結果表明：肥胖與硬壁菌門細菌數量增加、擬桿菌門細菌數量下降或硬壁菌門/擬桿菌門比例增加有關系[18-19]。隨后Turnbaugh等[20]發現，無菌鼠接種肥胖鼠菌群(具有相對較高的硬壁菌門)后比接種瘦鼠菌群（具有相對較高的擬桿菌門）的體脂增加大，該試驗結果也表明，擬桿菌門和硬壁菌門都可增加脂肪沉積，只是擬桿菌門不如硬壁菌門中細菌作用大，這也解釋了B?ckhed等[21]對無菌鼠接種盲腸內容物或多形擬桿菌時發現無菌鼠的體脂肪顯著增加的研究結果。

Hooper等[22]用高密度寡核苷酸芯片檢測接種擬桿菌后引起的宿主的轉錄響應,先用激光顯微切割捕獲系統精確定位取出發生這一系列響應的特定的細胞區域，再用定量逆轉錄PCR（qRT-PCR）以及其它多種菌群接種研究來檢測由擬桿菌而不是其它菌群引發的響應。結果發現，擬桿菌促進宿主回腸對脂類物質吸收的有關酶類mRNA的表達。如回腸胰脂肪酶相關蛋白 2（PLRP-2）、輔脂肪酶（colipase）、肝臟脂肪酸結合蛋白（L-FABP）、阿樸脂蛋白A-IV（apolipoproteinA-IV）、血管生長樣蛋白 3（ANGPTL3）的表達上升。輔脂肪酶通過刺激胰甘油三酯脂肪酶和胰脂肪酶相關蛋白2（PLRP-2）的活性在脂類代謝中起重要作用。當對無菌鼠接種擬桿菌后，回腸腺管（隱窩）上皮細胞的輔脂肪酶的表達量提高了10倍，其表達增加，也就增加了脂肪在后腸的吸收，這可能是無菌鼠接種細菌后體脂增加的部分原因。肝臟-脂肪酸結合蛋白（L-FABP）參與運輸細胞內脂肪酸，還可促進細胞分化（Zimmerman等，2002）[23]，接種細菌后其表達量增加，表明分化的腸細胞增加，同時增強了腸細胞對脂肪酸吸收轉運能力。接種小鼠的回腸腺管（隱窩）上皮細胞的血管生成素-3的mRNA表達水平升高7倍，血管生成素-3具有促進血管生成的作用，血管增生可增強營養的吸收和運輸。給無菌鼠接種擬桿菌后促進了脂肪吸收關鍵酶的表達，從而促進脂肪的吸收，最終導致脂肪沉積增加。

張麗萍[24]的研究表明，肉脂型的太湖豬回腸和盲腸內容物中革蘭氏陰性菌及擬桿菌屬-普雷沃氏菌屬數量在不同年齡階段均顯著高于瘦肉型的長白豬，革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌極顯著低于長白豬；并證明在豬的回腸擬桿菌、G-數量都與回腸Angptl4基因表達存在極顯著(P＜0.01)的負相關關系，而G+/G-比例與回腸Angptl4基因表達存在極顯著(P＜0.01)的正相關關系。郭秀蘭[25]運用定量PCR技術對胖的和瘦的云南版納微型近交系豬糞便中菌群研究發現，胖豬的擬桿菌門豐度比瘦豬低了68%(P＜0.001)，而擬桿菌屬豐度也低了65%(P＜0.001)；胖豬的硬壁菌門豐度略高于瘦豬，但差異不顯著，而硬壁菌門/擬桿菌門和硬壁菌門/擬桿菌屬顯著高于瘦豬（P＜0.05）。而擬桿菌屬豐度隨脂肪沉積增加而下降幅度高于擬桿菌門，這說明擬桿菌屬是一個很好的脂肪沉積生物標識。

6 小結

綜上所述，腸道微生物菌群可以對動物脂質代謝進行調控，通過對脂質合成，對脂肪酸氧化，膽汁酸功能和腸道內分泌功能的調控來實現。進一步的研究也表明，不同的腸道微生物組成也會導致動物脂質代謝的改變，并且也證明了硬壁菌門和擬桿菌門以及它們的比例與宿主的肥胖直接相關。但是，這些研究結果也不完全一致，說明了菌群對動物脂質調控存在復雜性，兩種菌門包括的菌種太多，可能本身的組成也不盡相同，今后的研究需要進一步搞清菌群組成及其與脂質代謝的關系。在搞清菌群組成和脂質代謝關系后，通過營養的手段或者添加外源性的適當菌種對菌群組成進行調控，進而實現對脂質代謝的調控，為微生態制劑及其相關營養物質（如寡糖）在動物營養和飼料生產上的科學運用提供更深層次的理論依據。

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[24]張麗萍.不同品種豬腸道微生物與體脂、ANGPTL4基因關系的研究[D].四川農業大學博士論文.

[25]郭秀蘭.豬腸道硬壁菌門和擬桿菌門數量的檢測及其相對豐度與脂肪沉積的相關性研究[D].四川農業大學博士論文.