腸道菌群與腸道內營養物質代謝的相互作用

劉彩虹，張和平

(內蒙古農業大學 乳品生物技術與工程教育部重點實驗室，呼和浩特010018)

0 引 言

腸道菌群的代謝流程與宿主的代謝流程存在交匯與互補的情況，即交互式代謝和共同代謝。腸道菌群參與調控宿主的多種代謝途徑，包括宿主的免疫、營養、代謝，并且極大地影響宿主的物質能量代謝及與物質能量代謝相關疾病的發生與發展過程，何明清[1]等根據大量研究將腸道菌群與動物營養、免疫和代謝間的關系概況為 5個方面：(1)產酶。促進養分消化吸收，提高飼料轉化率；(2)合成蛋白質、維生素；(3)促進體內有益菌的增殖，抑制有害菌的繁殖；(4)增強非特異性免疫功能；(5)凈化環境，降低糞、尿臭味。

本文僅著重從以下幾個方面對腸道菌群與宿主代謝相互作用進行詳細闡述。

1 腸道菌群與宿主代謝

腸道微生物與其宿主從出生就開始相互作用，腸道微生物及其代謝產物促進了宿主的進化與宿主功能的成熟[2]。腸道菌群的結構及其組成是由自然選擇決定的：在細胞水平上，表現為它們在定植競爭中的增殖速度和能量物質利用率上；在宿主水平上，表現在宿主對菌群整體的適應性。腸道菌群結構的多樣性，是由相關細菌所代表的少數幾個門為代表，是宿主對特定菌群的強烈選擇[3]。腸道中大量微生物對其營養、免疫、疾病防治以及生理功能發揮具有重要作用，影響動物生長和健康。

一些研究表明，腸道內硬壁菌門與擬桿菌門比率對宿主能量代謝有重要影響[4]，腸道菌群特別是硬壁菌門和擬桿菌門可通過增加能量代謝、調控脂肪代謝[5-6]、改變內分泌功能、增加炎癥反應等一切代謝機制對宿主健康進行調控[7]，例如研究較多的是肥胖小鼠和肥胖者腸道內硬壁菌門與擬桿菌門比率與其肥胖程度成正比[8-9]。腸道菌群參與調控其宿主的多種代謝途徑，包括宿主的免疫營養，并且極大地影響宿主的物質能量代謝及與物質能量代謝相關疾病(例如肥胖、糖尿病等)的發生與發展過程。目前，腸道菌群被稱為“微生物器官”：其在人體新陳代謝及免疫功能等方面具有舉足輕重的作用[10]。

2 腸道菌群與腸道內營養物質代謝

2.1 腸道菌群與碳水化合物代謝

腸道菌群通過糖酵解途徑(EMP)、磷酸戊糖途徑(HMP)、糖類厭氧分解途徑(ED)進行糖類的代謝，復雜的碳水化合物經小腸消化吸收成為簡單的糖類，這些糖類在結腸內被腸道菌群進一步發酵，發酵產物是短鏈脂肪酸(SCFA)，主要包括乙酸、丙酸、丁酸等。在瘤胃動物中，乙酸是代謝必需的能量來源。

飼料中的碳水化合物被消化后，腸道微生物將其發酵產生短鏈脂肪酸，并通過腸道分泌細胞被G偶聯蛋白受體41(GPR41)和G偶聯蛋白受體43(GPR43)感受，在細胞培養模式和小鼠試驗中等研究中表明丁酸可通過刺激脂肪細胞中瘦素的產生和誘導由腸道L細胞分泌胰島高血糖樣肽1(GLP-1)進而調節能量代謝[11]。一些研究表明體內大量補充核糖可以提高大強度耐力運動中血清NADPH含量和G-6-PD活性，增強抗氧化性酶的活性，有利于運動狀態下機體內自由基的消除，進而改變腸道菌群的種類[12]；大量加服大豆低聚糖，也可使健康志愿者腸道內雙歧桿菌數量增加[13]。Broek[14]等研究發現，某些雙歧桿菌不能產生利用戊聚糖的木聚糖酶，但能分泌水解戊聚糖的外切阿拉伯糖苷酶。戊聚糖經外切阿拉伯糖苷酶降解后得到的木聚糖及XOS對雙歧桿菌具有極強的誘導力，使雙歧桿菌在腸道中的增殖速度加快。Etxeberria[15]等研究高通量測序方法是否能應用在飼喂高脂肪蔗糖組、肥胖組及對照組36日齡大鼠代謝的檢測中，結果飼喂高脂蔗糖組大鼠實驗組碳水化合物代謝、三羧酸循環等一些代謝過程均改變，這表明蔗糖飼喂可改變碳水化合物的代謝途徑，進而對其腸道菌群的種類有一定程度的影響。Torok[16]等利用高通量測序法鑒定飲食對肉仔雞腸道菌群的影響，結果顯示飲食對空腸和盲腸內微生物群落影響較顯著，其腸道內細菌群落組成的差異分別為73%與66%。因此，腸道微生物菌群組成受到飼料原料，飼糧脂肪、蛋白質、碳水化合物營養水平等一些因素的影響。

近年來，一些膳食纖維越來越廣泛的被應用于日糧中，膳食纖維有降低血液膽固醇、調節腸道菌群等保健作用[17]。此外，不溶性膳食纖維容易吸收膨脹可加速糞便的排出量同時攜帶出腸道內大量的細菌[14]，Molist[18]等給早期斷奶豬喂食含膳食纖維的日糧，研究發現飼喂這種日糧可減少盲腸中腸桿菌數量，并且可促進一些有益菌的增殖。Hask[19]等研究小麥副產物中的膳食纖維對小鼠腸道菌群的影響，結果表明膳食纖維對小鼠腸道菌群調理作用較明顯，在增加有益菌乳酸桿菌和雙歧桿菌的同時，一定程度上抑制了腸球菌和腸桿菌的增長。Chen[20]等研究表明膳食纖維的發酵產物會抑制巴比賽小鼠大腸桿菌的增殖，其盲腸中雙歧桿菌數量增加，Montagne[21]等研究表明在特定環境中膳食纖維可使腸道腸桿菌數量減少，從而增進機體的健康成長。膳食纖維對腸道菌群的影響已成為研究人員關注的熱點，但膳食纖維的粒度、水化性質等物理性質對腸道菌群是否有有利的影響是我們亟待研究的問題之一。

2.2 腸道菌群與脂類代謝

腸道菌群可以通過各種途徑參與能量及脂類代謝，導致肝臟脂肪酸和甘油三酯存儲[22]。甘油三酯在脂肪細胞的存儲、肝臟脂肪的從頭合成及線粒體脂肪酸氧化中發生變化，從而影響機體的能量存儲，進而引發諸如肥胖、糖尿病等一系列代謝疾病[23]，表現為腸道菌群在種類、數量、比例、定位和生物學特性上的變化。

腸道菌群已被證明在宿主營養吸收、腸道與免疫系統的發育等重要的生理過程中發揮作用，其變化與多種疾病的發生、發展和治療密切相關。目前關于腸道中硬壁菌門與擬桿菌門的比例與肥胖、胰島素抵抗、胃腸道癌癥和某些精神性疾病等相關性存在著一定的爭議[24]，一些研究表明肥胖與硬壁菌門/擬桿菌門比例呈負相關[25]，表明擬桿菌門可能抑制機體能量的吸收[26]；也有一些研究表明其比例在肥胖個體中沒有很大的改變[27]；而其中研究最多的則是肥胖與腸道中硬壁菌門/擬桿菌門比例的呈正相關[28]。Turnbaugh[29]等將一個肥胖小鼠的腸道菌群移植到無菌小鼠體內誘導無菌小鼠肥胖的幅度遠遠高于將一個消瘦小鼠的腸道菌群移植到無菌小鼠體內，且一些研究表明肥胖患者[25]、肥胖小鼠[30]腸道菌群內擬桿菌門數量較少而硬壁菌門數量較多，由于腸道菌群組成的這種差異，肥胖的人能夠更有效的從食品獲取能量和刺激脂肪的生成[29]。Velagapudi[31]等通過對常規飼養大鼠及無菌大鼠中血清代謝組、脂質組比較分析腸道菌群如何調控大鼠能量與油脂代謝，通過對血清代謝組分析可知普通飼養方式下的大鼠體內能量代謝率增加，此外，研究發現腸道菌群改變血清、脂肪組織及肝臟中脂質量，最主要是影響了甘油三酯和磷脂酰膽堿種類，進而影響宿主能量代謝。最近一項研究發現[32]，一對雙胞胎(一個偏胖、一個偏瘦)中，偏胖者腸道內有較豐富的調控碳水化合物及脂肪代謝基因。Wu[33]等人使用分子生物學方法比較了Ⅱ型糖尿病人和健康志愿者的腸道菌群后發現，普通擬桿菌屬和雙歧桿菌屬細菌較少地出現在Ⅱ型糖尿病人腸道中，而且Ⅱ型糖尿病組雙歧桿菌數顯著降低。近年來隨著高通量測序技術發展，Larsen[34]等在使用宏基因組學方法觀察研究了Ⅱ型糖尿病患者的腸道菌群結構的特點后發現，Ⅱ型糖尿病患者的腸道菌群中，革蘭氏陰性菌的數量較多，其體內的硬壁菌門桿菌的數量顯著增加，而且擬桿菌門與硬壁菌門比例以及擬桿菌門普氏菌與?總厭氧球形梭菌屬比例與血糖水平呈正相關。Ley[9]等動物實驗表明，肥胖癥與腸道菌群的改變相關。他們運用分子生物學手段，通過基因測序來鑒定腸道菌群，發現肥胖型小鼠腸道內類桿菌比非肥胖型小鼠少50%，而硬壁菌門數量增加，表明了腸道菌群影響肥胖型小鼠與非肥胖型小鼠的能量吸收；Rawls[23]團隊也研究表明肥胖鼠腸道菌群的特征是硬壁菌比正常鼠顯著增多，而擬桿菌明顯減少。

近年來，一些研究團隊對腸道特征菌群與肥胖及其代謝綜合癥進行探索，并不斷地深入研究其具體的致病機制，其機制已初步闡述如下：過量的能量攝入造成主要分解腸道飽和脂肪酸的硬壁菌門大量增殖，進而造成腸道菌群的失衡[35]；通過調控宿主基因的表達，使宿主脂肪積累[36]。通過此機制以開發治療肥胖、糖尿病等一系列代謝性疾病的途徑，盡管肥胖和能量攝入可影響腸道菌群的組成，但改變的腸道菌群反過來是否有利于機體的健康還待進一步研究。

2.3 腸道菌群與蛋白質代謝

蛋白質營養是動物營養研究的核心問題。傳統的蛋白質營養理論認為，動物采食的蛋白質在消化道內蛋白酶和肽酶的作用下降解為游離的氨基酸，然后通過腸壁被機體吸收，蛋白質在動物機體內完全以氨基酸的形式被吸收；而菌群的變化可以從排泄物中細菌產生的氨基酸和一些能源相關的代謝產物的變化情況得知，由此證明代謝變化與腸道菌群的成熟和演變是同步進行的。

氨基酸在調節宿主營養代謝方面起著重要的作用，但其潛在的調控機制尚不清楚。He[37]等通過代謝組學分析對飼喂L-精氨酸補充劑飼料對豬血清蛋白質代謝的影響，結果表明飼料中精氨酸的添加使得豬體內脂肪積累降低，其腸道菌群種類發生改變。Zhao[38]通過DGGE技術及測序研究豬小腸內主要菌群對氨基酸(賴氨酸、蘇氨酸、精氨酸)的分解利用，結果發現分解氨基酸的主要腸道菌群為鏈球菌屬、光崗菌屬、埃氏巨球菌屬等三大類菌群。Burrin[39]研究表明，蛋氨酸代謝生成S-腺苷甲硫氨酸，其中S-腺苷甲硫氨酸是體內主要的甲基基團供體也是去甲基化抑制因子，可以抑制低甲基化引起的促癌基因表達。一些體內試驗表明，賴氨酸可在腸道組織中發生氧化代謝，但也有研究發現賴氨酸在小腸黏膜中不能代謝產生三羧酸循環中間產物，由此可推測腸道中賴氨酸的分解代謝可能與腸道內微生物有一定的聯系[40]。

近年來，代謝組學分析方法越來越多的被應用于氨基酸營養學方面的研究，為研究人員提供了簡便快捷的方式[41]。

2.4 腸道菌群與其他物質代謝

2.4.1 腸道菌群與礦物質代謝

礦物質(如鈣、鐵、鎂、鋅)的吸收利用率對宿主腸道菌群的組成有很大的影響。腸道菌群對礦物質的吸收可能是由于腸道菌群與礦物質元素結合形成易被吸收(鐵)或不能被吸收(鎂、鈣)的復合物。Bai[42]等利用肉仔雞原位結扎灌注腸段法研究不同形態錳的吸收方式，發現不同形態錳在十二指腸中吸收的動力學模型都最適合飽和載體轉運，但中等和強絡合強度復合氨基酸絡合錳吸收速率。這些結果提示，以絡合狀態存在的有機微量元素氨基酸絡合物或螯合物在小腸中可能不是以無機金屬離子的形式而是以完整絡合物的形式被吸收。各種礦物質的吸收利用率直接影響腸道菌群的組成，其中鐵對其腸道菌群種類的影響已有大量的報道[43]。Keren[44]等研究大鼠鐵代謝對其腸道菌群的影響，其假設宿主體內鐵平衡可能影響腸道內腔鐵含量及腸道菌群的種類，且知鐵調節蛋白2(Irp2)及變異基因Hfe均是調控體內鐵代謝平衡的蛋白，實驗結果顯示，Irp2-/-大鼠內大鼠桿菌屬和腸乳桿菌屬較豐富，Hfe-/-大鼠中腸球菌屬和歐陸森氏菌屬含量較高，而普通野外大鼠中約氏乳桿菌種類較豐富，其結果表明，大鼠內鐵代謝基因的缺失的確影響其腸道內菌群組成。LaVaute[45]也研究表明，鐵調節蛋白基因(Irp2基因)的缺失也影響鐵離子的吸收，進而改變大鼠腸道菌群的種類。這些結果顯示，以絡合狀態存在的有機微量元素氨基酸絡合物或螯合物在小腸中可能不是以無機金屬離子的形式而是以完整絡合物的形式被吸收。另外，腸道菌群產生的有機酸是一種螯合劑，能促進后腸中鈣、磷等礦物質的吸收，腸道菌群代謝的毒性產物也可使鐵元素主動運輸系統失活，從而影響腸道內鐵的吸收利用率。

2.4.2 腸道菌群與維生素代謝

維生素是動物正常生長所必需的營養素，缺乏和過量都會導致動物代謝紊亂、生長性能下降等癥狀。

腸道菌群可以合成如維生素B1、B2、C、K，尼克酸、生物素和葉酸等多種維生素，其中維生素K主要來源于腸道中大腸桿菌的合成。Kindbery[46]等無菌實驗表明，無菌小鼠定值雙歧桿菌后其組織和糞便中均不能檢測出維生素K2，而定值大腸桿菌的小鼠糞便含有豐富的維生素K2。Bentloy[47]等以缺乏維生素K食物飼養無菌小鼠，小鼠很快發生出血傾向，而攝入同樣食物鼠則凝血功能正常，把無菌小鼠轉為有菌普通動物或無菌小鼠飼料加入維生素K則出血癥狀消失。動物實驗和嬰兒保留灌腸表明維生素K2可由回腸末端及結腸以被動擴散的方式吸收[48]。Subbaiah[49]等研究維生素E對感染新城疫病毒雞肝臟、大腦、心臟抗氧化狀態的影響，結果表明感染組肉仔雞大腦與肝臟中丙二醛(MDA)水平相對增加而超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽酶等酶活性及谷胱甘肽S轉移酶水平均升高；而維生素E處理組的MDA降低，其超氧化物歧化酶活性增強，由此可知維生素E可有效緩解感染肉仔雞抗氧化性。Surai[50]也研究維生素E對新生兒肉仔雞的心臟、大腦、肝臟等等組織抗氧化也有一定的緩解作用，也有調節宿主生理等各方面的功能。大量研究表明，腸道菌群與維生素代謝相互作用，促進著動物體的健康成長。

3 結束語

腸道菌群是生物體胃腸道功能的重要組成部分，參與調控宿主的多種代謝途徑包括動物體的生理、生化、病理和藥理的全過程，得到人們的廣泛關注。動物優勢菌群能夠幫助維持腸道菌群平衡，并在自身代謝過程中產生多種消化酶、有機酸、營養物質和益生因子等物質，進而調控動物體內優勢菌群的種類及數量。但人們對腸道菌群對營養物質代謝消化、吸收方面具體作用機制研究較少，因此加強這方面的研究有益于更準確、更詳細的了解腸道菌群對宿主營養物質消化、吸收代謝的影響。

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