豬的腸道微生物與宿主營養(yǎng)代謝

朱偉云 余凱凡 慕春龍 楊宇翔

(南京農(nóng)業(yè)大學消化道微生物研究室，南京 210095)

豬的生長依賴于飼料營養(yǎng)物質(zhì)在機體內(nèi)的一系列轉(zhuǎn)化和代謝，因此機體的健康營養(yǎng)代謝是豬高效健康生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)。在機體內(nèi)，飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)首先經(jīng)過動物胃和腸道代謝，也稱腸道首過代謝(intestinal first-pass metabolism)，再經(jīng)過肝臟代謝進入靶器官進行代謝沉積，促使機體生長，因此，營養(yǎng)物質(zhì)的腸道代謝成為機體營養(yǎng)物質(zhì)代謝的關(guān)鍵。

腸道中棲息著數(shù)量龐大復(fù)雜多樣的微生物菌群，腸道微生物代謝產(chǎn)生豐富多樣的代謝產(chǎn)物，構(gòu)成了體內(nèi)一個重要的代謝部位，許多研究甚至將腸道微生物稱為體內(nèi)移動的器官。腸道微生物在宿主健康中發(fā)揮著重要作用，既影響著飼料消化、營養(yǎng)物質(zhì)吸收和能量供應(yīng)，又調(diào)控著宿主正常生理功能及疾病的發(fā)生與發(fā)展。本文就腸道微生物對宿主腸道營養(yǎng)物質(zhì)的代謝吸收，腸道對微生物代謝產(chǎn)物的感應(yīng)以及微生物與宿主的互作進行綜述。

1 腸道微生物與腸道營養(yǎng)物質(zhì)的代謝

腸道內(nèi)微生物區(qū)系和宿主間的互利共生受攝入的營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控。由于小腸和大腸生理功能和內(nèi)環(huán)境的不同，它們的代謝呈現(xiàn)區(qū)室化特征:小腸主要進行大分子營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，尤其是小肽和氨基酸;小腸內(nèi)未被消化的蛋白質(zhì)、碳水化合物進入大腸，被大腸內(nèi)微生物發(fā)酵從而進一步利用。

1.1 小腸微生物與小腸蛋白質(zhì)的代謝

機體攝入的和內(nèi)源分泌的蛋白質(zhì)進入小腸后，被來自宿主或者微生物的蛋白酶以及肽酶消化，生成的小肽進一步在小腸上皮細胞內(nèi)分解，生成寡肽和氨基酸。傳統(tǒng)營養(yǎng)學認為蛋白質(zhì)只有被分解為氨基酸才能被腸道上皮吸收利用，然而，近幾年來的研究發(fā)現(xiàn)，大量有生物活性的二肽以及寡肽能直接被腸上皮的轉(zhuǎn)運載體從腸腔轉(zhuǎn)運至血液［1］。此外，在仔豬上的研究發(fā)現(xiàn)，并不是所有的氨基酸都能完全進入血液，有30% ～60%的必需氨基酸被門靜脈排流組織(PDV)截?。?］。最近的研究顯示，豬小腸細胞能大量代謝支鏈氨基酸(亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸)，但是缺乏分解代謝其他必需氨基酸的酶，如蘇氨酸脫氫酶、組氨酸脫羧酶和苯丙氨酸羥化酶等［3-4］，故有推測，小腸中的微生物可能參與了小腸對飼糧氨基酸的首過代謝。Chen等［4］的研究表明，賴氨酸在體外培養(yǎng)的仔豬腸上皮細胞中幾乎不被氧化，然而在stoll等［2］的試驗中，約35%的飼糧賴氨酸在腸道首過代謝中消失，其中只有18%用來合成黏膜蛋白。類似的研究表明，體外培養(yǎng)的仔豬腸上皮細胞不能代謝蛋氨酸和苯丙氨酸［3］。然而有報道表明仔豬腸道內(nèi)可以代謝約20%的飼糧蛋氨酸［5］以及約35%的苯丙氨酸［2］。通過這些報道可以推測，蛋氨酸、苯丙氨酸和賴氨酸的腸道首過代謝很有可能是微生物的作用。

本實驗室通過厭氧培養(yǎng)技術(shù)體外研究豬小腸(十二指腸、空腸、回腸)微生物對游離氨基酸的代謝，首次發(fā)現(xiàn)，十二指腸、空腸和回腸微生物能大量代謝必需氨基酸［6-7］。根據(jù)培養(yǎng)基中氨基酸的消失率，可大致分為3組。賴氨酸、蘇氨酸、精氨酸、谷氨酸、亮氨酸屬于高消失率組，24 h的消失率在90%以上。異亮氨酸、纈氨酸和組氨酸屬于中等消失率組，其24 h消失率在50% ～80%之間，而脯氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和色氨酸屬于低消失率組，24 h消失率低于35%。繼代培養(yǎng)30代后，小腸微生物仍能大量代謝賴氨酸、蘇氨酸、精氨酸和谷氨酸，其24 h消失率均在50%以上［6］。而組氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸的消失率顯著下降，培養(yǎng)30代后氨基酸的24 h消失率在30%左右。這些研究表明，腸道細菌確實參與氨基酸的腸道首過代謝。我們最新的研究進一步表明，腸道不同區(qū)室的微生物對氨基酸的代謝存在差異［8］。通過體外發(fā)酵技術(shù)研究腸壁松散連接微生物和腸壁緊密連接微生物對氨基酸的代謝，我們發(fā)現(xiàn)腸壁緊密連接微生物對氨基酸主要表現(xiàn)出較強的合成能力，而腸壁松散連接微生物對氨基酸既存在合成也存在利用［8］。

小腸不同區(qū)室微生物對氨基酸代謝的差異對宿主整體氨基酸的代謝有著重要的貢獻。腸道微生物對氨基酸的代謝在一定程度上修飾了氨基酸的組成模式。比如微生物可以大量代謝腸壁細胞無法代謝的賴氨酸，而對宿主可以代謝的支鏈氨基酸的利用很低。這說明腸道微生物和腸上皮細胞在氨基酸的代謝方面有著協(xié)同效應(yīng)。盡管腸腔微生物對氨基酸的代謝在營養(yǎng)上可能是一種浪費，但是，腸壁微生物利用氨合成氨基酸又能在一定程度上緩解宿主對氨基酸的需求。所以，腸道微生物在宿主對營養(yǎng)物質(zhì)的消化代謝的過程中有著及其重要的作用與意義。

1.2 大腸微生物與碳水化合物的代謝

盲腸和結(jié)腸是豬機體內(nèi)粗纖維消化發(fā)酵的最主要部位。由于纖維類物質(zhì)不被小腸消化，其進入大腸后主要由大腸微生物發(fā)酵。大腸中擁有數(shù)量龐大(1012)、種類繁多的微生物，其中有大量的纖維降解細菌，如瘤胃球菌、普雷沃菌等。研究表明，攝入富含抗性淀粉的食物后，腸道中的厚壁菌門細菌，如瘤胃球菌、真桿菌屬，可能在代謝碳水化合物中發(fā)揮主要作用［9］。而對腸道內(nèi)大量細菌的基因組進行分析發(fā)現(xiàn)，腸道菌群中某些擬桿菌門細菌基因組中含有較多編碼糖苷水解酶和多糖裂解酶的基因，編碼的酶類能促進多糖的降解［10］。這些結(jié)果表明大腸不同的微生物類群在碳水化合物代謝中可能承擔不同的作用，但有待更深入研究。碳水化合物在盲腸和結(jié)腸內(nèi)被微生物發(fā)酵產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸(SCFA)，包括乙酸、丙酸、丁酸等。同時，SCFA也是蛋白質(zhì)降解和氨基酸發(fā)酵的主要產(chǎn)物。比如梭菌(Clostridium)可以通過丙烯酸途徑發(fā)酵丙氨酸產(chǎn)生丁酸，也可以在蘇氨酸脫氫酶的作用下發(fā)酵蘇氨酸產(chǎn)生丙酸。此外，甘氨酸也可以通過斯提柯蘭氏(stickland)反應(yīng)產(chǎn)生乙酸等。大腸微生物發(fā)酵產(chǎn)生的SCFA對宿主有著重要的生理功能，如抗病原微生物、抗腫瘤、調(diào)節(jié)腸道菌群、改善腸道功能、維持體液和電解質(zhì)平衡、給宿主尤其是結(jié)腸上皮細胞提供能量等。研究表明，SCFA可為機體提供10% ～15%的能量，其中丁酸能夠作為結(jié)腸上皮細胞的能量來源，乙酸和丙酸則參與肝臟的能量代謝［11-12］。此外，大量試驗表明飼糧中富含粗纖維可以刺激腸道黏膜的生長和功能，已有研究證實上皮細胞的這種營養(yǎng)效應(yīng)是通過SCFA介導的［13-14］。

2 腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的感應(yīng)

動物胃腸道不僅是消化器官，還是一個感應(yīng)器官，是機體面向外界表面積最大的一個器官(約100 m2)，這龐大的表面積可以感應(yīng)腸腔里的各種化學物質(zhì)和有機體，包括營養(yǎng)物質(zhì)、微生物及其代謝產(chǎn)物，甚至毒素。腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的感應(yīng)可以通過腦腸軸(gut-brain axis)調(diào)節(jié)機體生理活動。

2.1 肽和氨基酸的感應(yīng)

腸道內(nèi)存在多種多樣的微生物，不同微生物對肽和氨基酸的利用能力不同，腸腔內(nèi)游離的肽和氨基酸能夠作為腸道微生物的主要氮源，參與微生物蛋白質(zhì)合成、核酸代謝、能量供應(yīng)及其他細胞內(nèi)代謝過程。腸道內(nèi)主要降解蛋白質(zhì)的細菌種屬有擬桿菌屬、丙酸菌屬、梭菌屬、鏈球菌屬、乳桿菌屬等。研究表明，豬空腸或回腸的微生物能夠選擇性氧化賴氨酸、蘇氨酸和精氨酸，而某些革蘭氏陰性細菌，如菌克雷伯菌(Klebsiella spp.)和普雷沃菌(Prevotella spp.)可以合成谷氨酰胺、亮氨酸、異亮氨酸、精氨酸等［7，15］。腸道微生物代謝的氨基酸為宿主提供營養(yǎng)來源的同時，能作為信號分子調(diào)節(jié)腸道乃至整個機體的生理活動。

腸腔內(nèi)蛋白質(zhì)消化后的肽和氨基酸可以被胃腸道上皮細胞表面的受體識別，包括味覺受體1(T1R1)、味覺受體 2(T1R2)、味覺受體 3(T1R3)、G蛋白偶聯(lián)受體93(GPR93)、鈣敏感受體(CaSR)、G蛋白偶聯(lián)受體C型6A(GPRC6A)等。有研究表明，腸上皮細胞表面的T1R1/TIR3異二聚體受體可以感應(yīng)腸腔內(nèi)的色氨酸，激活受體的磷酸化過程，將下游信號傳遞至哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號分子，激發(fā)細胞內(nèi)核酸轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成［16］。腸道內(nèi)的谷氨酸能夠作為T1R1/TIR3受體的配體參與營養(yǎng)物質(zhì)感應(yīng)，也作為腸上皮細胞提供了主要的氧化燃料，同時，谷氨酸也是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)。腸周圍神經(jīng)系統(tǒng)中存在轉(zhuǎn)運谷氨酸的囊泡膜谷氨酸轉(zhuǎn)運體1和2(VGLUT1和VGLUT2)，小腸谷氨酸增加能夠促進腹腔迷走神經(jīng)的傳入神經(jīng)活性，調(diào)節(jié)神經(jīng)行為［17］。氨基酸作為配體，不僅參與mTOR信號的活化，也參與飽感激素的產(chǎn)生和激素信號調(diào)控。GPR93、CaSR等對氨基酸的識別可以誘導小腸L細胞產(chǎn)生調(diào)節(jié)性腦腸肽，如酪酪肽(PYY)、胰高血糖素樣肽(GLP-1)、膽囊收縮素(CCK)、胃饑餓素(ghrelin)等。研究發(fā)現(xiàn)，大鼠攝入富含蛋白質(zhì)的飼糧后，蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的寡肽能夠作為阿片受體的拮抗劑，寡肽激發(fā)的信號通過阿片受體，傳遞給腦部神經(jīng)中樞，腦部神經(jīng)又輸出飽感信號至腸周圍神經(jīng)叢，引起腸道內(nèi)的糖異生過程增加，葡萄糖被腸系膜靜脈的葡萄糖感受體識別，識別后活化信號傳遞至中樞神經(jīng)，進一步引起飽感［18］。SCFA和游離氨基酸誘導腸上皮細胞產(chǎn)生的PYY，能夠作用于神經(jīng)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)食欲，也有研究表明，外源的PYY干預(yù)可以顯著改善肥胖［19］。同時，研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物能夠代謝蛋白質(zhì)產(chǎn)生宿主細胞不能合成的肽類物質(zhì)，如精氨酰谷氨酰胺和丙氨酰丙氨酸［20］。已有研究表明豬空腸上皮細胞能夠表達二肽轉(zhuǎn)運體小肽轉(zhuǎn)運蛋白(PepT1)［21］并具有轉(zhuǎn)運某些三肽如甘氨酸-脯氨酸-羥脯氨酸(Gly-Pro-Hyp)的能力［22］。對斷奶仔豬研究表明，小腸上皮對二肽丙氨酰谷氨酰胺和甘氨酰谷氨酰胺的吸收效率高于谷氨酰胺單體［22］，因此微生物代謝產(chǎn)生的肽類物質(zhì)可能通過小腸上皮的肽類轉(zhuǎn)運系統(tǒng)影響機體代謝。所以，在過去的腦腸軸的基礎(chǔ)上，又提出全新的概念，微生物-腸道-大腦軸(bug-gut-brain axis)。

2.2 碳水化合物的感應(yīng)

攝入的多糖類物質(zhì)是腸道微生物的主要能量來源之一，腸道細菌(如擬桿菌)基因組中含有較多編碼糖苷水解酶和多糖裂解酶的基因，編碼的酶類能促進多糖的降解［10］。碳水化合物在盲腸和結(jié)腸能夠被降解為SCFA，包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸等。

乙酸、丙酸和丁酸能夠被腸道內(nèi)分泌細胞表面的G蛋白偶聯(lián)受體41(GPR41)和G蛋白偶聯(lián)受體 43(GPR43)識別，誘導產(chǎn)生 PYY［23］。PYY的增加可以減緩腸道傳遞時間，增加飽腹感。丁酸被上皮細胞表面受體GPR41識別后，能夠通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)介導的信號途徑，促進機體對炎癥反應(yīng)的應(yīng)答［24］。丁酸還能夠調(diào)節(jié)中性粒細胞功能，增加結(jié)腸上皮組織緊密連接蛋白的表達［25］。腸道微生物代謝產(chǎn)生的乙酸和丙酸經(jīng)過轉(zhuǎn)運至肝臟，可以用于肝臟的脂肪合成和糖原異生過程。微生物介導的SCFA代謝也參與肥胖過程。攝入高熱量食物后，腸道內(nèi)產(chǎn)生的過多的丁酸轉(zhuǎn)運至脂肪組織后，可能與脂肪細胞表面的GPR41結(jié)合，導致脂肪細胞內(nèi)脂肪合成作用增加，脂肪水解過程減弱，引起脂肪的積累，進而導致個體出現(xiàn)肥胖。最近的研究表明，在小鼠體內(nèi)，腸道微生物代謝產(chǎn)生的SCFA轉(zhuǎn)運至白色脂肪組織后，能夠活化脂肪細胞GPR43，GPR43通過蛋白激酶C介導的作用，抑制胰島素活性發(fā)揮的關(guān)鍵過程——蛋白激酶B的磷酸化，導致脂肪細胞胰島素敏感性降低，脂肪消耗增加，從而避免脂肪積累［26］。最新研究發(fā)現(xiàn)，攝入過量碳水化合物引起的食欲降低與微生物發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸有關(guān);對小鼠腹腔注射乙酸后，小鼠食欲降低，而且結(jié)腸微生物產(chǎn)生的乙酸能夠通過血腦屏障并被腦部攝取，進而促進抑制食欲的神經(jīng)肽表達，表明乙酸可能直接作用于中樞系統(tǒng)食欲的調(diào)節(jié)［26］。這些研究表明，腸道微生物的代謝參與了體內(nèi)很多物質(zhì)代謝和生理過程，它們影響著機體的整體代謝。

3 宿主－微生物代謝軸(host-microbe metabolic axis)

腸道微生物與機體形成了宿主-微生物代謝軸，對動物機體營養(yǎng)物質(zhì)代謝和免疫穩(wěn)態(tài)起重要作用。腸道內(nèi)正常的微生物菌群能夠代謝攝入的以及內(nèi)源性的大分子碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪酸等，同時與機體代謝互作產(chǎn)生各種代謝物質(zhì)，如SCFA、氨基酸、小肽、多胺以及膽酸鹽、甲基供體等。而正是這些代謝產(chǎn)物對腸上皮組織乃至整個機體的物質(zhì)代謝和免疫穩(wěn)定發(fā)揮著重要的作用［25］。同時，腸道細菌含有病原體相關(guān)的模式分子，如脂多糖、肽聚糖等，可以引起腸上皮細胞的免疫應(yīng)答。由于腸道內(nèi)微生物及其代謝產(chǎn)物與腸上皮組織存在廣泛的互作機制，同時微生物對腸腔內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)進行代謝，微生物菌群的改變常常伴隨腸道內(nèi)環(huán)境功能的改變，進而導致機體整體代謝穩(wěn)態(tài)的變化。

飼糧對宿主代謝的改變，常伴隨有腸道微生物區(qū)系的變化，腸道微生物的代謝又能調(diào)節(jié)宿主很多生理過程。研究發(fā)現(xiàn)，采食高蛋白質(zhì)飼糧(19.8%或20.1%粗蛋白質(zhì))的斷奶仔豬和采食低蛋白質(zhì)飼糧(14.5%或14.8%粗蛋白質(zhì))仔豬結(jié)腸食糜中腐胺、亞精胺、組胺、氨氮和支鏈脂肪酸濃度增加，食糜中柔嫩梭菌群細菌豐度增加，且結(jié)腸細胞因子白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素 -10(IL-10)、轉(zhuǎn)化生子因子 - β(TGF-β)和黏蛋白MUC1、MUC2、MUC20基因表達顯著上調(diào);而提高飼糧中可發(fā)酵碳水化合物，減少蛋白質(zhì)水平后，潛在的毒性物質(zhì)(如腐胺、亞精胺)濃度降低，炎癥因子表達沒有顯著上調(diào)，同時，球形梭菌(Clostridium coccoides)的豐度顯著增加［27］。該研究表明豬大腸微生物影響營養(yǎng)物質(zhì)的代謝和宿主的免疫應(yīng)答過程。母豬飼糧中添加34%的抗性淀粉能夠增加結(jié)腸產(chǎn)丁酸菌柔嫩梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)、布氏瘤胃球菌(Ruminococcus bromii)豐度，降低潛在致病菌大腸桿菌和假單胞菌屬豐度，同時增加結(jié)腸揮發(fā)酸性脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸濃度［28］。公豬飼糧中添加34%的抗性淀粉能夠誘導近端結(jié)腸上皮組織三羧酸(TCA)循環(huán)和脂肪酸氧化過程的加強，但抑制細胞分化、固有免疫和適應(yīng)性免疫應(yīng)答，增加近端結(jié)腸產(chǎn)丁酸菌柔嫩梭菌和埃氏巨球形菌(Megasphaera elsdenii)豐度，降低潛在病原體鉤端螺旋體屬的豐度，同時，增加頸動脈血液中乙酸、丙酸和丁酸濃度。這些結(jié)果表明，飼糧中添加抗性淀粉引起腸道微生物區(qū)系改變，微生物代謝產(chǎn)物相應(yīng)發(fā)生變化，同時菌群的變化可能導致腸上皮組織的代謝和免疫應(yīng)答改變［29］。8日齡新生仔豬飼糧中添加抗生素(氨芐青霉素、慶大霉素和甲硝唑混合添加)10 d后，結(jié)腸菌群多樣性顯著降低，益生性雙歧桿菌數(shù)量受到抑制;同時，抗生素通過減少肝臟中尿素合成，降低血液尿素濃度，并增加血液中蘇氨酸濃度，促進蘇氨酸周轉(zhuǎn)，減少近端小腸和肝臟的蛋白質(zhì)合成速率，但不影響遠端小腸、結(jié)腸的蛋白質(zhì)合成［30］。該研究表明，豬腸道微生物在宿主氨基酸利用方面發(fā)揮不可忽視的作用，干預(yù)微生物能引起代謝變化，因此今后的研究需注重微生物在營養(yǎng)物質(zhì)代謝中的作用和意義。

目前，微生物代謝產(chǎn)生的肽類、氨基酸、脂肪酸等物質(zhì)與機體的互作機制，在嚙齒動物模型和體外研究中有較多研究，但在哺乳動物(如豬)中研究較少，這種互作對豬腸道內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定和營養(yǎng)代謝的意義還有待更深入挖掘。

4 小結(jié)

豬腸道不同腸段的微生物在營養(yǎng)物質(zhì)代謝中發(fā)揮的作用不同，十二指腸、空腸、回腸細菌對氨基酸的代謝能力不同，腸壁微生物和食糜微生物對氨基酸的利用也有差異;大腸微生物主要負責對碳水化合物的發(fā)酵，產(chǎn)生的SCFA作為重要的代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)機體代謝過程。微生物-腸道-大腦軸將微生物和機體代謝行為聯(lián)系起來，微生物的代謝產(chǎn)物作為配體能夠結(jié)合其在腸上皮組織或腸周圍神經(jīng)系統(tǒng)的配體，引起腦腸肽釋放，改變食欲，某些代謝產(chǎn)物如乙酸則具有直接調(diào)節(jié)腦組織生理活動的作用。宿主微生物互作軸在體內(nèi)具有重要的生理意義。微生物具備對營養(yǎng)物質(zhì)較強的代謝和應(yīng)答能力，包括微生物區(qū)系的改變和代謝的變化，進而發(fā)揮其在機體代謝和免疫調(diào)節(jié)中的角色。研究豬腸道微生物組成與營養(yǎng)物質(zhì)的代謝，有助于加深關(guān)于腸道微生物對機體代謝貢獻的認識，為完善飼糧組成以及提高營養(yǎng)素的吸收利用提供參考。

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