雞消化道微生物茵群的組成及作用機理（續2）

韓浩月

摘要：自發現了可以研究動物腸道微生物的技術以來，家禽消化道的微生物菌群就一直是人們研究的對象。對于腸道微生物茵群的營養和生理需求，我們所掌握的知識很有限，僅限于了解可以在實驗室條件下輕易培養的那些菌種。在分子技術得到運用之前，這些結果掩蓋了雞腸道微生物菌群的真實組成及其行為，所涉及的分子技術包括聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）、變性梯度凝膠電泳（Dena turingGradienl Gel Electrophoresis，DGGE）、末端限制性片段長度多態性（Terminal Restriction FragmentLength Polymorphism，T-RFLP）分析、克隆和測序等方法。當DNA測序技術變得更為廉價且耗時更少時，人們對腸道微生物茵群實際組成的研究取得了重大進展。研究人員揭示了腸道微生物茵群（包括未經培養的微生物）的真實組成，并提出了其在雞生理學中作用的新見解。本文我們將討論家禽腸道微生物菌群組成及其對腸道內環境穩定以及腸道發育、分化和成熟的影響。此外，我們還將介紹改變腸道微生物菌群組成會怎樣改善營養物質的吸收和怎樣改變可以影響腸道功能的黏蛋白層組成。學術界在這方面已經取得了重大研究進展，未來的研究是要闡明腸道微生物對家禽生理的影響機制。未來家禽生產上的發展將包括專為獲得特定作用設計的微生物調節劑。

關鍵詞：微生物菌群;微生物區系;微生物組;腸道;全息生物;體內平衡;分化;黏蛋白;益生素

中圖分類號：S811.6 文獻標志碼：C 文章編號：1001-0769（2018）07-0004-03

5 腸道微生物菌群的作用

5.1腸道發育和腸道內穩態

現今，腸道微生物菌群被認為是一個可以調節宿主腸道解剖學和生理學指標的重要內源性器官（Delzenne和Cani，2011）。腸道微生物菌群組成或代謝活性的改變可能會反過來影響宿主的健康（Kabeerdoss等，2013）。腸道微生物菌群的失衡常常被稱為“微生態失調”，并且人們對該通路損害共生生命體健康的具體機理知之甚少。然而，脊椎動物共生生命體各組分之間的協同活性可能會提高動物的生產性能（Turnbaugh等，2006）。腸道微生物菌群在宿主發育中發揮作用的證據已經在昆蟲和小鼠模型上得到證實。

Lee （2008b，2009）利用果蠅遺傳模型觀察到能夠將微生物菌群與腸道細胞分化和生理功能聯系起來的微生物誘導式信號通路。無菌動物與有一定定植數量的細菌結合起來，產生的共生生命體可以在無菌條件下維持。而后研究人員對菌群結構和宿主進行時間進程分析，確定微生物對菌群結構和宿主表型的影響（Bakhed等，2004; Rawls等，2006）。該模型發現，細菌可通過激活對活性氧簇的應答途徑來調節腸道干細胞發育。最近的研究表明，不同類型的腸一微生物相互作用產生的信號會參與腸干細胞的活化（Buchon等，2009; Chatterjee和Ip， 2009;Cronin等，2009; Jiang等，2009）。他們中的一些發現已經在無菌小鼠模型中得到證實，該模型中的細菌被證明可調控動物出生后腸道的發育。研究人員使用多形擬桿菌（Bacteroidesthetaiotaomicron——哺乳動物腸道菌群的主要成員）進行的研究顯示，其與脊椎動物的胃腸道系統存在共生互作關系。例如，當多形擬桿菌定植于無菌小鼠腸道內時，它可增加小腸末端的末端a-L-巖藻糖在腸黏膜中的表達（Bry等，1996）。宿主體內多糖表達水平的改變使得該細菌能夠沿著小腸拓展其定植生態位。在巖藻糖利用上有缺陷的擬桿菌突變體能夠定植無菌動物，但不會誘導生成巖藻糖基化糖蛋白，這表明細菌代謝產物在宿主發育中發揮著信號作用（Brv等，1996; Hooper等，2000）。腸道微生物菌群還會影響腸道黏膜下毛細管床的發育;成年無菌小鼠腸道中的毛細血管網是發育不全的。用多形擬桿菌定植可刺激血管生成，使其與正常小鼠的血管相似（Stappenbeck等，2003）。這些發現表明，腸道微生物菌群或細菌代謝物可能是腸道吸收能力完全發育成熟所必需的。人們在小鼠模型中揭示了腸道微生物菌群中的特定菌種會影響細菌消化日糧多糖的特異性和效率，從而影響宿主的能量獲取和肥胖狀況（Ley等，2005; Samuel等，2007; Turnbaugh等，2006）。

多形擬桿菌通過誘導潘氏細胞分泌防御素來刺激哺乳動物腸道黏膜屏障的發育（Xu等，2003）。腸道微生物菌群的這種功能也許在平衡黏膜對細菌的應答方面很重要。在黏附于家禽腸道黏膜的細菌中，梭菌XIV群占60% （Van denAbbeele等，2012）。梭菌XIVa群的菌種可能適應微生物演替（microbial succession）的不同階段，共生致病有機體（能夠在遺傳或環境條件允許的情況下引發疾病的腸道共生體）通常適應于微生物演替的早期階段（Lozupone等，2012）。盡管產毒菌種（如產氣莢膜梭菌）被認為是主要的病原體（Rood和Cole，1991），但多項研究表明，在動物生產性能提高后人們也可從其腸道中檢測到大量的梭菌。例如，飼喂促生長類抗生素的肉雞腸道菌群含有較大比例的梭菌（Lu等，2008; Singh等，2013a）。也許抗生素生長促進劑的作用機制之一就是改變微生物菌群某些菌種的生理機能。柔嫩梭菌一一梭菌IV群的一個菌種（Van Immerseel等，2010）一一和產丁酸的細菌在腸道微生物菌群中的作用十分有趣。研究人員已經在豬的腸道微生物菌群（Haenen等，2013）和健康家禽的腸道菌群中檢測到高水平的柔嫩梭菌和丁酸生成菌（Lu等，2003，2008）。然而，在患有炎癥性腸病的人群中，柔嫩梭菌在腸道菌群中的豐度很低（Fujimoto等，2012; Hansen等，2012; Kabeerdoss等，2013年）。一些腸道菌群對腸黏膜具有一定的抗炎性作用（Lin等，2009; Neish，2010），這表明該微生物菌群在有特定病原體存在時能夠防止炎癥的發生（Lee和Lee，2013）。

5.2黏蛋白在腸道功能中的作用

黏液附著于胃腸道黏膜的表面，充當著潤滑劑，以增強腸道蠕動的推進力。由于其具有滲透的特性，黏液還可調節營養物質的吸收，并有助于保護位于其下方的腸道上皮，使其免受腸道病原體的侵害（Tsirtsikos等，2012）。黏液由黏蛋白組成，黏蛋白的碳鏈糖基化嚴重（Forstner和Forstner，1994）。黏蛋白的組成受到微生物菌群（Kirjavainen等，1998; Xu和Gordon，2003）、宿主腸道糖基化（Brv等，1996; Freitas等，2005）和腸道微生物群降解（RuasMadiedo等，2008）的共同影響。黏蛋白作為微生物菌群的定植基質，它含有許多附著位點，其碳水化合物和氨基酸可用作微生物的營養源（Louis等，2007; Macfarlane和Macfarlane， 1997; Macfarlane 和 Dillon，2007）。由于缺乏細菌，無菌小鼠的盲腸常常伴有黏液擴張的狀況（Falk等，1998）。

研究人員在評估無菌哺乳動物后發現，其腸道黏液的產生、組成和降解均依賴于腸道微生物菌群。Enss等（1992）、Hill等（1990）和Szentkuti等（1990）發現：無菌哺乳動物的結腸肌肉組織層較薄，隱窩較淺，杯狀細胞較少，黏液層較薄。在健康的腸道中，完整的腸道黏膜屏障能夠增強共生生命體的協同作用（Becker等，2013）。腸黏液由兩層組成，在正常情況下，內層黏附于腸上皮表面，外層則是共生細菌的主要棲息地（Johansson等，2008）。黏蛋白組成的改變或產量的減少與對疾病的易感性增加有關（Bvrd和Bre salier，2004;Corfield等，2000）。較薄或不連續的黏液層也與炎癥性腸病有關，并且被假定為是造成人類宿主對結腸共生微生物菌群耐受性減弱的原因（Strober等，2007）。幽門螺桿菌通過抑制組織培養物中的MUCI和MUC5AC基因的表達來抑制黏液分泌，這證明了微生物能夠直接改變MUC基因的表達（Byrd等，2000）。然而，益生菌混合物可誘導HT29細胞中MUC2的分泌（Otte和Podolsky，2004），但對LS174T細胞無效（CaballeroFranco等，2007）。當將益生菌菌株植物乳桿菌299v和鼠李糖乳桿菌GG添加至組織培養的結腸細胞時，可增加腸MUC2的表達（Gum等，1994; Mack等，1999）。利用嗜酸乳桿菌NCFM進行的體內實驗也得到了相似的結果（Bergstrom等，2012）. Bergstrom等（2012）和Khailova等（2009）證明，兩歧雙歧桿菌和完整的微生物菌群可有效提高腸道的黏蛋白產量。飼料添加劑也有助于改變腸道微生物菌群組成，并因此改變黏蛋白的動力學。Grilli等（2013）證明，丙酸、山梨酸和植物提取物可減少腸道內彎曲桿菌的數量，并可改變黏蛋白和杯狀細胞的組成。

5.3營養物質的分解和吸收

研究證明，無菌動物腸上皮細胞的更新較慢（Abrams等，1963; Lesher等，1964; Savage和Whitt，1982），刷狀緣酶活性增加（Kozakova等，2001）。此外，無菌動物比常規動物腸道有更長的腸道微絨毛（Meslin和Sacquet，1984;Willing和Van Kessel，2007）。盡管這似乎是一種會提高腸道吸收能力的生理變化，但無菌動物無法茁壯生長，因為腸道不能發育至具有完全吸收能力的程度。細菌誘導刷狀緣的形態學和生理學變化的機制尚未完全明了（Byrd等，2000; CaballeroFranco等，2007）。 然而，腸道微生物菌群可能會影響調節腸細胞增殖和功能的促分裂原活化蛋白激酶（MitogenActivated Protein Kinases，MAPK）通路。較高的p42/p44 MAPK活性可刺激腸上皮細胞的增殖，而低水平的MAPK活性可增加蔗糖酶一異麥芽糖酶的表達，這說明細胞增殖和刷狀緣酶活性之間呈反比關系（Aliaga等，1999）。腸道微生物菌群可能有助于促進腸絨毛中的酶活性和營養物質降解，這解釋了無菌動物需要刷狀緣酶的高表達水平（Willing和Van Kessel，2009）。

固定在腸上皮表面的刷狀緣酶可切割二糖。然而，將己糖攝入腸上皮細胞是由特定的轉運蛋白介導的，這些轉運蛋白的表達受腸道微生物菌群的影響。最近的研究證明，乳酸桿菌可通過腸上皮細胞上調葡萄糖轉運蛋白的表達（Ikari等，2002）。在接觸細菌的10 min內，腸細胞增加了對葡萄糖的攝取，這可能是由于從細胞溶質運輸到刷狀緣膜或者已經存在于刷狀緣中的轉運蛋白得到激活。腸道微生物菌群不僅可以增強葡萄糖轉運蛋白的活性，而且還可以調節刷狀緣膜Na+/H+交換蛋白3（Na+/H+ Exchanger 3，NHE3） （Musch等，2001）。

5.4腸道的分化、成熟和凋亡

腸道微生物菌群可顯著改變腸道的形態，包括絨毛結構、隱窩深度、干細胞增殖和血管密度（Sommer和B?Ickhed，2013）。研究證明，無菌動物具有較低的腸細胞更新率（Abrams等，1963; Lesher等，1964; Savage和Whitt，1982）和較高的刷狀緣酶活性（Kozakova等，2001）。此外，無菌動物有比常規動物更長的腸道微絨毛（Meslin和Sacquet，1984; Willing和Van Kessel，2007）。盡管這似乎是一種會改善腸道吸收功能的生理變化，但無菌動物無法茁壯生長，因為腸道的吸收能力不能發育完善。小腸末端腸細胞的增殖可受腸道中定植的共生菌組成的影響（Willing and Van Kessel，2007）。

腸道微生物菌群有助于維持細胞與細胞間的連接（Cario等，2007; Hooper等，2001），并可促進腸上皮損傷和死亡后的修復（Lutgendorff等，2008; RakoffNahoum等，2004; Sekirov等，2010）。程序性細胞死亡或凋亡在確定腸上皮細胞結構方面起著重要作用（Watson和Pritchard，2000）。在疾病發病機制中，細胞凋亡與病原體（諸如螺桿菌和弗氏志賀氏菌等）有關（Pritchard和Watson，1996）。相比之下，鼠李糖乳桿菌GG株可通過上調己知和可能具有細胞保護作用的一連串基因來減少體內和體外系統中的細胞凋亡（Lin等，2009）。類似地，研究顯示由嗜酸乳桿菌、保加利亞乳桿菌、干酪乳桿菌、植物乳桿菌、嗜熱鏈球菌、短雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌和長雙歧桿菌組成的益生菌混合物VSL#3可通過增加上皮細胞的保護作用產生抗細胞凋亡效應（Venturi等，1999）。鼠李糖乳桿菌GG株衍生的可溶性因子可調節細胞存活信號并抑制細胞因子誘導的腸上皮細胞凋亡（Yan等，2007）。

（待續）