腸道疾病與生物鐘節(jié)律紊亂關(guān)系研究進(jìn)展

左曉彤 吳巧鳳，2，3

成都中醫(yī)藥大學(xué)1針灸推拿學(xué)院，2針灸與內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)研究所，3針灸與時(shí)間生物學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都 610075）

生物體通過(guò)感知環(huán)境中的溫度、光和食物等周期信號(hào)，與外界環(huán)境保持周期同步，從而產(chǎn)生以24 h 為周期的節(jié)律性變化，這種現(xiàn)象為生物節(jié)律（biological clock），又稱生物鐘［1］。生物節(jié)律通過(guò)調(diào)控機(jī)體生長(zhǎng)、衰老、能量代謝以及情緒來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體器官活動(dòng)以及休息的周期，這些過(guò)程不僅受晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)，反過(guò)來(lái)也能影響晝夜節(jié)律。大約有10%～20%的哺乳動(dòng)物基因處于晝夜節(jié)律控制之下，哺乳動(dòng)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(jīng)元（hypothalamus suprachiasmatic nucleus，SCN）中，作為晝夜節(jié)律的起搏點(diǎn)調(diào)節(jié)包括睡眠、覺(jué)醒、溫度、自主神經(jīng)系統(tǒng)張力、攝食周期、情緒和運(yùn)動(dòng)等多種生理過(guò)程［2］。外周生物鐘分布在全身大多數(shù)細(xì)胞和肝臟、胃腸道、平滑肌、骨骼肌、脂肪組織中，發(fā)揮調(diào)節(jié)局部組織細(xì)胞等適應(yīng)器的節(jié)律活動(dòng)以及組織特異性基因表達(dá)的作用。生物節(jié)律主要依靠生物鐘基因調(diào)控，目前發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)錄因子為BMAL1、CLOCK、CRY1、CRY2、PER1、PER2、PER3以及微調(diào)內(nèi)核時(shí)鐘的其他組件，包括REV-ERB和SIRT［3］。

腸道的消化吸收、運(yùn)動(dòng)、腸黏膜穩(wěn)態(tài)等功能與生物鐘節(jié)律密切相關(guān)，腸道生物鐘保持正常節(jié)律是腸道發(fā)揮正常功能的必要條件之一，腸道疾病患者多見(jiàn)失眠等節(jié)律紊亂癥狀，而節(jié)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(guān)聯(lián)，本文將就此作總結(jié)和綜述。

1 生物鐘節(jié)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(jié)律紊亂現(xiàn)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(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）及腸道腫瘤等，并且生物鐘節(jié)律紊亂會(huì)加重疾病的嚴(yán)重程度或伴隨癥狀。輪班工作會(huì)增加胃腸道問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是消化不良和消化性潰瘍［4］。MOSNA 等［5］對(duì)比了CD 患者、UC 患者以及無(wú)IBD 患病史的結(jié)直腸癌患者腸黏膜上皮細(xì)胞中8 種晝夜節(jié)律蛋白（BMAL1、BMAL2、PER1、PER2、PER3、CLOCK、NPAS2 和TIMENTER）的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)IBD 患者黏膜上皮中5 種晝夜節(jié)律蛋白（BMAL1、PER1、PER3、TIMLESS和NPAS2）的表達(dá)降低，且IBD患者黏膜內(nèi)炎性細(xì)胞BMAL1表達(dá)降低。

動(dòng)物研究進(jìn)一步證實(shí)生物鐘節(jié)律紊亂會(huì)加劇腸道疾病的發(fā)展，患有生物鐘紊亂的小鼠更易患結(jié)腸炎［6］，導(dǎo)致結(jié)腸中的線粒體能量代謝降低并加劇結(jié)腸炎小鼠的炎癥反應(yīng)［7］。

生物鐘節(jié)律與腫瘤的發(fā)生有密切聯(lián)系，尤其是長(zhǎng)期輪班工作以及夜間暴露于光照環(huán)境的工人，夜間暴露于藍(lán)光光譜環(huán)境與結(jié)直腸癌發(fā)病率呈正相關(guān)［8-9］。

2 生物鐘節(jié)律紊亂參與腸道疾病的機(jī)制

2.1 腸道動(dòng)力結(jié)腸的運(yùn)動(dòng)存在晝夜節(jié)律［10］。HOOGERWERF 等［11］發(fā)現(xiàn)野生型小鼠的排便及結(jié)腸環(huán)行肌收縮力具有節(jié)律性，而Per1、Per2 基因敲除小鼠這種節(jié)律性消失。胃腸道的主要抑制性神經(jīng)遞質(zhì)神經(jīng)元型一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide synthase，nNOS）的表達(dá)受生物鐘控制，敲除nNOS 基因后結(jié)腸環(huán)形肌收縮力和排便節(jié)律性減弱［12］。晝夜節(jié)律的紊亂很可能會(huì)對(duì)胃腸動(dòng)力產(chǎn)生負(fù)面影響，從而誘導(dǎo)或加重以運(yùn)動(dòng)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(hù)宿主免受腸腔中存在的有害物質(zhì)和微生物的侵害，維持腸道屏障對(duì)人類健康至關(guān)重要。腸黏膜機(jī)械屏障由黏膜上皮細(xì)胞和細(xì)胞間連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成［13］，晝夜節(jié)律紊亂易導(dǎo)致腸道上皮屏障的破壞，從而使促炎細(xì)菌產(chǎn)物（如內(nèi)毒素）跨過(guò)腸壁進(jìn)入體循環(huán)，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(jié)合蛋白組成的多種蛋白質(zhì)復(fù)合物也存在晝夜節(jié)律。節(jié)律紊亂導(dǎo)致大鼠結(jié)腸緊密連接Occludin、Claudin1、Claudin3 和Zo-1 表達(dá)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(fā)現(xiàn)野生型小鼠體內(nèi)Occludin 和Claudin-1 的mRNA 表達(dá)呈節(jié)律性變化，Claudin-2、-3、-4、-7、Zo-1 和Jam-A 水平無(wú)節(jié)律性變化。結(jié)腸中PER1、PER2、CRY1 和BMAL1 的mRNA 水平也呈節(jié)律性變化，但與Occludin 和Claudin-1 的變化趨勢(shì)相反（表1）。野生型小鼠腸上皮細(xì)胞（intestinal epithelial cells，IECs）中Occludin 和Claudin-1 的蛋白表達(dá)與mRNA 有節(jié)律性，但mPer2m/m 小鼠體內(nèi)以及IECs 中無(wú)論基因水平還是蛋白表達(dá)均無(wú)節(jié)律性。人結(jié)腸上皮細(xì)胞中的Clock 和Bmal1能與Occludin 和Claudin-1 基因啟動(dòng)子區(qū)域的Ebox 元件結(jié)合，從而調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的轉(zhuǎn)錄。Clock-Bmal1 異源二聚體可能通過(guò)調(diào)節(jié)Occludin 和Claudin-1 的表達(dá)水平以影響緊密連接蛋白的功能，從而調(diào)節(jié)結(jié)腸通透性，且CLOCK 在生物鐘的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路中起積極的作用，而PER2 則起消極的作用。

表1 小鼠體內(nèi)不同基因與節(jié)律的關(guān)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(xì)菌占腸道微生物群的98%。腸道菌群參與宿主營(yíng)養(yǎng)吸收、能量代謝和免疫反應(yīng)等生理過(guò)程，腸道菌群的構(gòu)成、功能以及定植位置均存在晝夜節(jié)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(jié)律間存在動(dòng)態(tài)相互作用。

2.3.1 腸道菌群本身具有晝夜節(jié)律腸道菌群的豐度、構(gòu)成及功能會(huì)受晝夜環(huán)境更替的影響，表現(xiàn)出節(jié)律性以及侵入和定植腸道的能力［15］。THAISS等［16］發(fā)現(xiàn)超過(guò)15%的小鼠腸道細(xì)菌數(shù)量有周期性波動(dòng)，以乳桿菌目和脫鹽桿菌目為主，并且白天休息時(shí)期，乳桿菌菌群豐度高，主要涉及解毒、運(yùn)動(dòng)和環(huán)境感知功能。而夜間活動(dòng)期，厚壁菌和擬桿菌菌群豐度高，主要參與能量代謝、DNA 修復(fù)和細(xì)胞生長(zhǎng)。

腸道菌群在腸道的定植位置位置以及深度都呈節(jié)律性變化，相比白天，腸道黏膜上皮細(xì)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(dòng)會(huì)影響腸道菌群與宿主間的互作進(jìn)而影響宿主的生物鐘節(jié)律［17］。

2.3.2 腸道菌群與宿主生物鐘之間存在動(dòng)態(tài)相互作用宿主生物鐘能影響腸道菌群豐度與功能，與節(jié)律正常大鼠相比，晝夜節(jié)律紊亂大鼠腸道擬桿菌門(mén)豐度增加，厚壁菌門(mén)和放線菌門(mén)豐度減少［13］。MORTAS 等［18］研究發(fā)現(xiàn)與白天工作相比，夜間工作時(shí)人群腸道菌群擬桿菌門(mén)的相對(duì)豐度降低，放線菌和厚壁菌門(mén)的相對(duì)豐度增加。腸道菌群的節(jié)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(jié)律粘附會(huì)影響腸道中的晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄組，還能編程外周生物鐘中的節(jié)律轉(zhuǎn)錄［17］。

生物鐘與機(jī)體代謝關(guān)系密切，能參與機(jī)體各系統(tǒng)的代謝過(guò)程，主要通過(guò)神經(jīng)與體液途徑調(diào)控機(jī)體的睡眠-覺(jué)醒以及進(jìn)食行為，從而使機(jī)體的能量需求和營(yíng)養(yǎng)供給呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律性［19-20］。腸道菌群參與碳水化合物、氨基酸及脂質(zhì)代謝過(guò)程，主要通過(guò)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(diào)節(jié)宿主代謝功能，并且能通過(guò)代謝物如丁酸鹽、膽汁酸等間接調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律［21-22］。宿主生物鐘易受環(huán)境因素的影響，若生物鐘紊亂會(huì)增加肥胖和代謝障礙相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)，肥胖與代謝障礙相關(guān)疾病的發(fā)作主要與腸道菌群的改變相關(guān)，包括厚壁菌門(mén)與擬桿菌門(mén)的比例增加，變形桿菌的相對(duì)豐度增加［23］。腸道菌群的變化能夠誘導(dǎo)或減輕代謝障礙相關(guān)疾病，從而影響宿主代謝。宿主的生活方式以及攝食習(xí)慣也會(huì)影響腸道菌群。錯(cuò)誤時(shí)間進(jìn)食會(huì)改變小鼠的結(jié)腸節(jié)律相位，降低產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細(xì)菌和丁酸鹽的水平，促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)展［24］。高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠更易出現(xiàn)腸道菌群的失衡和腸道功能的障礙，導(dǎo)致腸道疾病癥狀加重以及代謝性疾病的發(fā)展［25］。

腸道的免疫功能與腸道菌群密切相關(guān)。腸道菌群中有多種益生菌，如乳桿菌類、雙歧桿菌類等，通過(guò)調(diào)節(jié)樹(shù)突狀細(xì)胞（DCs）、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞以及T 和B 淋巴細(xì)胞起到維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)及宿主免疫系統(tǒng)活性的作用［26］。宿主生物鐘可以通過(guò)調(diào)控腸道菌群從而間接參與機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)，通過(guò)控制攝食節(jié)奏以驅(qū)動(dòng)節(jié)段性絲狀細(xì)菌（segmented filamentous bacteria，SFB）在腸道上皮的附著使先天免疫效應(yīng)器上皮抗微生物蛋白表達(dá)產(chǎn)生晝夜節(jié)律，導(dǎo)致小鼠對(duì)鼠傷寒沙門(mén)氏菌感染的抵抗力出現(xiàn)晝夜節(jié)律變化［27］。

3 總結(jié)及展望

本文闡述了生物鐘紊亂與腸道疾病間的關(guān)系及生物鐘紊亂導(dǎo)致腸道疾病的機(jī)制。腸道菌群與宿主生物鐘之間的互作能夠維持機(jī)體腸道穩(wěn)態(tài)，作為治療疾病的靶點(diǎn)［28］，可利用腸道菌群的特征找到對(duì)不同機(jī)體、不同疾病的最佳給藥時(shí)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(jié)律為導(dǎo)向的治療措施或許能夠改善腸道菌群狀態(tài)，從而預(yù)防或減輕腸道疾病的發(fā)生與癥狀［30］。

目前生物鐘基因的研究主要集中在核心轉(zhuǎn)錄因子上，其他轉(zhuǎn)錄因子是否會(huì)影響腸道節(jié)律還有待繼續(xù)深入研究。結(jié)合目前治療腸道疾病的方法，未來(lái)治療腸道疾病可將腸道菌群與晝夜節(jié)律相結(jié)合，采取益生菌+限時(shí)進(jìn)食+規(guī)定作息的方式，利用腸道菌群與宿主生物鐘的互作關(guān)系達(dá)到療效最大化。