雞消化道微生物茵群的組成及作用機(jī)理（續(xù)2）

韓浩月

摘要：自發(fā)現(xiàn)了可以研究動(dòng)物腸道微生物的技術(shù)以來，家禽消化道的微生物菌群就一直是人們研究的對(duì)象。對(duì)于腸道微生物茵群的營(yíng)養(yǎng)和生理需求，我們所掌握的知識(shí)很有限，僅限于了解可以在實(shí)驗(yàn)室條件下輕易培養(yǎng)的那些菌種。在分子技術(shù)得到運(yùn)用之前，這些結(jié)果掩蓋了雞腸道微生物菌群的真實(shí)組成及其行為，所涉及的分子技術(shù)包括聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（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(zhǎng)度多態(tài)性（Terminal Restriction FragmentLength Polymorphism，T-RFLP）分析、克隆和測(cè)序等方法。當(dāng)DNA測(cè)序技術(shù)變得更為廉價(jià)且耗時(shí)更少時(shí)，人們對(duì)腸道微生物茵群實(shí)際組成的研究取得了重大進(jìn)展。研究人員揭示了腸道微生物茵群（包括未經(jīng)培養(yǎng)的微生物）的真實(shí)組成，并提出了其在雞生理學(xué)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(duì)腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定以及腸道發(fā)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(huì)怎樣改善營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和怎樣改變可以影響腸道功能的黏蛋白層組成。學(xué)術(shù)界在這方面已經(jīng)取得了重大研究進(jìn)展，未來的研究是要闡明腸道微生物對(duì)家禽生理的影響機(jī)制。未來家禽生產(chǎn)上的發(fā)展將包括專為獲得特定作用設(shè)計(jì)的微生物調(diào)節(jié)劑。

關(guān)鍵詞：微生物菌群;微生物區(qū)系;微生物組;腸道;全息生物;體內(nèi)平衡;分化;黏蛋白;益生素

中圖分類號(hào)：S811.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-0769（2018）07-0004-03

5 腸道微生物菌群的作用

5.1腸道發(fā)育和腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)

現(xiàn)今，腸道微生物菌群被認(rèn)為是一個(gè)可以調(diào)節(jié)宿主腸道解剖學(xué)和生理學(xué)指標(biāo)的重要內(nèi)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(huì)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(tài)失調(diào)”，并且人們對(duì)該通路損害共生生命體健康的具體機(jī)理知之甚少。然而，脊椎動(dòng)物共生生命體各組分之間的協(xié)同活性可能會(huì)提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能（Turnbaugh等，2006）。腸道微生物菌群在宿主發(fā)育中發(fā)揮作用的證據(jù)已經(jīng)在昆蟲和小鼠模型上得到證實(shí)。

Lee （2008b，2009）利用果蠅遺傳模型觀察到能夠?qū)⑽⑸锞号c腸道細(xì)胞分化和生理功能聯(lián)系起來的微生物誘導(dǎo)式信號(hào)通路。無菌動(dòng)物與有一定定植數(shù)量的細(xì)菌結(jié)合起來，產(chǎn)生的共生生命體可以在無菌條件下維持。而后研究人員對(duì)菌群結(jié)構(gòu)和宿主進(jìn)行時(shí)間進(jìn)程分析，確定微生物對(duì)菌群結(jié)構(gòu)和宿主表型的影響（Bakhed等，2004; Rawls等，2006）。該模型發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌可通過激活對(duì)活性氧簇的應(yīng)答途徑來調(diào)節(jié)腸道干細(xì)胞發(fā)育。最近的研究表明，不同類型的腸一微生物相互作用產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)參與腸干細(xì)胞的活化（Buchon等，2009; Chatterjee和Ip， 2009;Cronin等，2009; Jiang等，2009）。他們中的一些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)在無菌小鼠模型中得到證實(shí)，該模型中的細(xì)菌被證明可調(diào)控動(dòng)物出生后腸道的發(fā)育。研究人員使用多形擬桿菌（Bacteroidesthetaiotaomicron——哺乳動(dòng)物腸道菌群的主要成員）進(jìn)行的研究顯示，其與脊椎動(dòng)物的胃腸道系統(tǒng)存在共生互作關(guān)系。例如，當(dāng)多形擬桿菌定植于無菌小鼠腸道內(nèi)時(shí)，它可增加小腸末端的末端a-L-巖藻糖在腸黏膜中的表達(dá)（Bry等，1996）。宿主體內(nèi)多糖表達(dá)水平的改變使得該細(xì)菌能夠沿著小腸拓展其定植生態(tài)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(dòng)物，但不會(huì)誘導(dǎo)生成巖藻糖基化糖蛋白，這表明細(xì)菌代謝產(chǎn)物在宿主發(fā)育中發(fā)揮著信號(hào)作用（Brv等，1996; Hooper等，2000）。腸道微生物菌群還會(huì)影響腸道黏膜下毛細(xì)管床的發(fā)育;成年無菌小鼠腸道中的毛細(xì)血管網(wǎng)是發(fā)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(fā)現(xiàn)表明，腸道微生物菌群或細(xì)菌代謝物可能是腸道吸收能力完全發(fā)育成熟所必需的。人們?cè)谛∈竽Ｐ椭薪沂玖四c道微生物菌群中的特定菌種會(huì)影響細(xì)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(dǎo)潘氏細(xì)胞分泌防御素來刺激哺乳動(dòng)物腸道黏膜屏障的發(fā)育（Xu等，2003）。腸道微生物菌群的這種功能也許在平衡黏膜對(duì)細(xì)菌的應(yīng)答方面很重要。在黏附于家禽腸道黏膜的細(xì)菌中，梭菌XIV群占60% （Van denAbbeele等，2012）。梭菌XIVa群的菌種可能適應(yīng)微生物演替（microbial succession）的不同階段，共生致病有機(jī)體（能夠在遺傳或環(huán)境條件允許的情況下引發(fā)疾病的腸道共生體）通常適應(yīng)于微生物演替的早期階段（Lozupone等，2012）。盡管產(chǎn)毒菌種（如產(chǎn)氣莢膜梭菌）被認(rèn)為是主要的病原體（Rood和Cole，1991），但多項(xiàng)研究表明，在動(dòng)物生產(chǎn)性能提高后人們也可從其腸道中檢測(cè)到大量的梭菌。例如，飼喂促生長(zhǎng)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(zhǎng)促進(jìn)劑的作用機(jī)制之一就是改變微生物菌群某些菌種的生理機(jī)能。柔嫩梭菌一一梭菌IV群的一個(gè)菌種（Van Immerseel等，2010）一一和產(chǎn)丁酸的細(xì)菌在腸道微生物菌群中的作用十分有趣。研究人員已經(jīng)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(cè)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(duì)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(shí)能夠防止炎癥的發(fā)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(dāng)著潤(rùn)滑劑，以增強(qiáng)腸道蠕動(dòng)的推進(jìn)力。由于其具有滲透的特性，黏液還可調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，并有助于保護(hù)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(yán)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(zhì)，它含有許多附著位點(diǎn)，其碳水化合物和氨基酸可用作微生物的營(yíng)養(yǎng)源（Louis等，2007; Macfarlane和Macfarlane， 1997; Macfarlane 和 Dillon，2007）。由于缺乏細(xì)菌，無菌小鼠的盲腸常常伴有黏液擴(kuò)張的狀況（Falk等，1998）。

研究人員在評(píng)估無菌哺乳動(dòng)物后發(fā)現(xiàn)，其腸道黏液的產(chǎn)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(fā)現(xiàn)：無菌哺乳動(dòng)物的結(jié)腸肌肉組織層較薄，隱窩較淺，杯狀細(xì)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(qiáng)共生生命體的協(xié)同作用（Becker等，2013）。腸黏液由兩層組成，在正常情況下，內(nèi)層黏附于腸上皮表面，外層則是共生細(xì)菌的主要棲息地（Johansson等，2008）。黏蛋白組成的改變或產(chǎn)量的減少與對(duì)疾病的易感性增加有關(guān)（Bvrd和Bre salier，2004;Corfield等，2000）。較薄或不連續(xù)的黏液層也與炎癥性腸病有關(guān)，并且被假定為是造成人類宿主對(duì)結(jié)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(yǎng)物中的MUCI和MUC5AC基因的表達(dá)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(dá)（Byrd等，2000）。然而，益生菌混合物可誘導(dǎo)HT29細(xì)胞中MUC2的分泌（Otte和Podolsky，2004），但對(duì)LS174T細(xì)胞無效（CaballeroFranco等，2007）。當(dāng)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(yǎng)的結(jié)腸細(xì)胞時(shí)，可增加腸MUC2的表達(dá)（Gum等，1994; Mack等，1999）。利用嗜酸乳桿菌NCFM進(jìn)行的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也得到了相似的結(jié)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(chǎn)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(dòng)力學(xué)。Grilli等（2013）證明，丙酸、山梨酸和植物提取物可減少腸道內(nèi)彎曲桿菌的數(shù)量，并可改變黏蛋白和杯狀細(xì)胞的組成。

5.3營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解和吸收

研究證明，無菌動(dòng)物腸上皮細(xì)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(dòng)物比常規(guī)動(dòng)物腸道有更長(zhǎng)的腸道微絨毛（Meslin和Sacquet，1984;Willing和Van Kessel，2007）。盡管這似乎是一種會(huì)提高腸道吸收能力的生理變化，但無菌動(dòng)物無法茁壯生長(zhǎng)，因?yàn)槟c道不能發(fā)育至具有完全吸收能力的程度。細(xì)菌誘導(dǎo)刷狀緣的形態(tài)學(xué)和生理學(xué)變化的機(jī)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(huì)影響調(diào)節(jié)腸細(xì)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(xì)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(dá)，這說明細(xì)胞增殖和刷狀緣酶活性之間呈反比關(guān)系（Aliaga等，1999）。腸道微生物菌群可能有助于促進(jìn)腸絨毛中的酶活性和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)降解，這解釋了無菌動(dòng)物需要刷狀緣酶的高表達(dá)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(xì)胞是由特定的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的，這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)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(xì)胞上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)（Ikari等，2002）。在接觸細(xì)菌的10 min內(nèi)，腸細(xì)胞增加了對(duì)葡萄糖的攝取，這可能是由于從細(xì)胞溶質(zhì)運(yùn)輸?shù)剿罹壞せ蛘咭呀?jīng)存在于刷狀緣中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白得到激活。腸道微生物菌群不僅可以增強(qiáng)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性，而且還可以調(diào)節(jié)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(tài)，包括絨毛結(jié)構(gòu)、隱窩深度、干細(xì)胞增殖和血管密度（Sommer和B?Ickhed，2013）。研究證明，無菌動(dòng)物具有較低的腸細(xì)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(dòng)物有比常規(guī)動(dòng)物更長(zhǎng)的腸道微絨毛（Meslin和Sacquet，1984; Willing和Van Kessel，2007）。盡管這似乎是一種會(huì)改善腸道吸收功能的生理變化，但無菌動(dòng)物無法茁壯生長(zhǎng)，因?yàn)槟c道的吸收能力不能發(fā)育完善。小腸末端腸細(xì)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(xì)胞與細(xì)胞間的連接（Cario等，2007; Hooper等，2001），并可促進(jìn)腸上皮損傷和死亡后的修復(fù)（Lutgendorff等，2008; RakoffNahoum等，2004; Sekirov等，2010）。程序性細(xì)胞死亡或凋亡在確定腸上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)方面起著重要作用（Watson和Pritchard，2000）。在疾病發(fā)病機(jī)制中，細(xì)胞凋亡與病原體（諸如螺桿菌和弗氏志賀氏菌等）有關(guān)（Pritchard和Watson，1996）。相比之下，鼠李糖乳桿菌GG株可通過上調(diào)己知和可能具有細(xì)胞保護(hù)作用的一連串基因來減少體內(nèi)和體外系統(tǒng)中的細(xì)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(zhǎng)雙歧桿菌組成的益生菌混合物VSL#3可通過增加上皮細(xì)胞的保護(hù)作用產(chǎn)生抗細(xì)胞凋亡效應(yīng)（Venturi等，1999）。鼠李糖乳桿菌GG株衍生的可溶性因子可調(diào)節(jié)細(xì)胞存活信號(hào)并抑制細(xì)胞因子誘導(dǎo)的腸上皮細(xì)胞凋亡（Yan等，2007）。

（待續(xù)）