腸道菌群調(diào)控研究進展

黃純波，廖新俤

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510642 )

動物腸道中棲息著數(shù)量龐大、種類繁多的共生菌群，并且與宿主的健康息息相關(guān)[1]。腸道菌參與調(diào)節(jié)宿主的多個代謝途徑，其穩(wěn)態(tài)的失衡易導(dǎo)致炎性腸病、糖尿病、惡性腫瘤及肥胖等疾病的發(fā)生[2-3]。經(jīng)過上萬年的進化，動物體及其腸道寄生菌群之間已形成了一套復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，用以維持兩者之間的動態(tài)平衡。隨著科學(xué)研究的不斷深入，人們的觀點也從傳統(tǒng)的“細菌有害論”逐漸轉(zhuǎn)變，認為腸道菌群在維持宿主的正常代謝和健康等方面有著重要的作用。本文對有關(guān)腸道菌群發(fā)育、調(diào)控和互作機制的最新研究進展進行綜述，以期加深對動物與其腸道微生物之間調(diào)控關(guān)系的理解，同時為在腸道菌群研究進程中仍存在的一些未解之謎的深入探究提供一定的參考。

1 腸道菌群的建立和發(fā)育

Collado等[4]研究發(fā)現(xiàn)，初生嬰兒在母體內(nèi)通過胎盤和羊水獲得初始的腸道菌群積累，而出生后的3～4 d，嬰兒胎糞中的菌群結(jié)構(gòu)開始變得與初乳中檢測到的菌群結(jié)構(gòu)相似。另有研究發(fā)現(xiàn)，順產(chǎn)嬰兒的腸道菌群與母體產(chǎn)道菌群較為相似，以乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、普氏菌屬(Prevotella)和纖毛菌屬(Sneathia)為主要菌群，而剖腹產(chǎn)嬰兒的腸道菌群與母體皮膚和醫(yī)院產(chǎn)房環(huán)境中的菌群更為相似，以葡萄球菌屬(Staphylococcus)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)和丙酸桿菌屬(Propionibacterium)為主要菌群，證明母體產(chǎn)道可能影響胎兒腸道初始菌群的定植。上述研究表明，哺乳動物在母體子宮內(nèi)就已開始建立起簡單的腸道菌群，出生后由于外環(huán)境的接觸和飲食，使更多種類的菌群有機會進入幼齡動物腸道內(nèi)定植，菌群結(jié)構(gòu)也逐漸趨于復(fù)雜化。Faith等[6]研究發(fā)現(xiàn)，當嬰兒成長至三歲，其腸道中的菌群結(jié)構(gòu)已基本發(fā)育成熟，組成和豐度也變得相對穩(wěn)定，與成年人相似。同時也有報道指出，腸道菌群的建立和發(fā)育成熟期可能是一個關(guān)鍵的時間節(jié)點，此時對動物腸道菌群進行外源性干預(yù)和調(diào)控，相比其他時期可能具有更為顯著的影響。如果嬰兒在早期發(fā)育階段遭遇嚴重的營養(yǎng)不良或者使用過抗生素，其腸道菌群多樣性則會顯著降低，腸道菌群的成熟也會延遲，且這種“負作用”往往具有終生效應(yīng)，即使后期通過營養(yǎng)等手段進行干預(yù)，受損的腸道菌群也不能得到較好的恢復(fù)[7-8]。Schulfer等[9]研究也發(fā)現(xiàn)，對孕期小鼠使用抗生素擾亂腸道菌群后，紊亂的孕鼠菌群可傳遞給后代，并且這種紊亂的菌群結(jié)構(gòu)可長期存在于子代小鼠腸道中，子代對疾病的易感性也顯著增加。

2 影響動物腸道菌群結(jié)構(gòu)的因素

由于不同種屬的動物遺傳背景不同，其腸道菌群結(jié)構(gòu)差異較大，而同種屬不同個體間腸道菌群結(jié)構(gòu)往往相似，表現(xiàn)出一定的遺傳穩(wěn)定性。Turpin等[10]通過大規(guī)模的群體分析發(fā)現(xiàn)，人體腸道約1/3的菌群是可遺傳的，并且鑒定出與33個細菌分類群豐度相關(guān)的58個單核苷酸多態(tài)性(SNPs)。但也有研究表明，即使是在同一種屬內(nèi)，不同個體間的腸道菌群結(jié)構(gòu)也會呈現(xiàn)一定的差異性。Goodrich等[11]通過考察成長于相同環(huán)境中的1126對雙胞胎發(fā)現(xiàn)，同卵雙胞胎較異卵雙胞胎有著更為相似的腸道菌群結(jié)構(gòu)，且進一步發(fā)現(xiàn)部分雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)可穩(wěn)定遺傳到后代，并成功建立了乳糖酶編碼基因(Lactase gene，LCT)與腸道中雙歧桿菌的關(guān)聯(lián)性。上述研究表明，在腸道菌群的繼承和調(diào)控中，宿主的基因型起著重要作用。另外，環(huán)境及飲食模式的不同也是導(dǎo)致個體間腸道菌群產(chǎn)生差異性的重要原因，且環(huán)境和飲食因素對腸道菌群的調(diào)控作用往往比宿主基因型對菌群的調(diào)控作用更強[12]。Metcalf等[13]對比野生型和圈養(yǎng)型的普氏野馬(Equusferusprzewalskii)腸道菌群后發(fā)現(xiàn)，野生普氏馬的腸道菌群結(jié)構(gòu)明顯區(qū)別于圈養(yǎng)普氏馬，具有更高的考拉桿菌(Phascolarctobacterium)和甲烷粒菌(Methanocorpusculum)豐度，且菌群多樣性也比圈養(yǎng)普氏馬高。飲食中營養(yǎng)素的含量和種類(纖維、脂肪以及碳水化合物等)以及外源添加劑(抗生素、菊粉等)對宿主的腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生直接的影響。Sonnenburg等[14]以高/低纖維日糧喂養(yǎng)小鼠后發(fā)現(xiàn)，低纖維日糧組小鼠的腸道細菌多樣性顯著低于高纖維日糧組小鼠，并且發(fā)現(xiàn)這些消失的菌群可能與現(xiàn)代飲食模式下某些代謝疾病(肥胖、糖尿病等)的發(fā)生有關(guān)，進一步通過多代飼喂試驗后發(fā)現(xiàn)，低纖維組每代小鼠腸道細菌的多樣性會進一步大幅下降，即使對其恢復(fù)高纖維日糧的供給，小鼠的腸道菌群也不能完全恢復(fù)到正常水平。

3 宿主與腸道菌群間的互作研究

如前文所述，宿主基因型、環(huán)境和飲食均是影響動物腸道菌群結(jié)構(gòu)的主要原因。同時腸道菌群與宿主之間也存在著多種互作機制，以保證腸道菌群與宿主處于一種動態(tài)平衡且穩(wěn)定的狀態(tài)。宿主腸上皮可分泌各種物質(zhì)選擇性地調(diào)控腸道菌群的生長，決定腸道菌群特定的空間分布，在維持腸道穩(wěn)態(tài)中起著重要作用。而菌群的定植又影響宿主免疫系統(tǒng)發(fā)育、腸上皮屏障完整性以及相關(guān)代謝軸功能，如腸-肝軸、腸-腦軸等，進而影響宿主的健康。

3.1 宿主對腸道菌群的調(diào)控機制

3.1.1 腸道免疫應(yīng)答類物質(zhì) 宿主腸上皮分泌的一個典型調(diào)控物質(zhì)就是抗菌肽(AMPs)，具有廣譜抗菌活性，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、真菌、寄生蟲等均有殺滅作用，是宿主固有免疫的重要組成部分。哺乳動物腸源性的抗菌肽主要包括防御素家族(α-防御素、β-防御素等)、組織蛋白酶抑制素Cathelicidins (LL-37)、C-型凝集素(如REG蛋白家族)、核糖核酸酶(RNase)和 S100蛋白 (如鈣衛(wèi)蛋白)等[15-16]。Mukherjee等[17]研究發(fā)現(xiàn)，腸道粘液中的C-型凝集素通過在革蘭氏陽性菌的膜表面形成“透化孔”的方式，將細菌滲透性溶解，從而為抵御病原菌的入侵提供腸道保護。而Cullen等[18]研究發(fā)現(xiàn)，人腸道中一些主要的定植菌群(如多形擬桿菌等)相比一些外源性病原菌(如大腸桿菌)來說，對腸道內(nèi)高濃度的陽離子抗菌肽(多粘霉素B)具有更強的抗性，這意味著在炎癥介導(dǎo)的腸道免疫反應(yīng)過程中，分泌的抗菌肽可選擇性地對有害病原菌進行殺滅。作為特異性免疫反應(yīng)的組成部分，腸組織分泌的免疫球蛋白(如 SIgA 、SIgG等)能夠穿過固有層進入腸腔，調(diào)控腸道菌群的生長。淋巴細胞缺陷型小鼠(Rag 1-/-小鼠，不能正常分泌免疫球蛋白)相比正常小鼠，腸道中的嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansiamuciniphila)大量增殖，而當把正常型小鼠的骨髓移植入Rag 1-/-小鼠血液后，阿克曼氏菌的增殖得到了有效的抑制[19]。由以上研究成果可知，腸道免疫應(yīng)答類物質(zhì)對共生菌群有一種制約作用，避免微生物對腸道的過度刺激，進而維持宿主與菌群間的平衡關(guān)系。

3.1.2 腸上皮microRNA microRNA的研究一直是當前研究的熱點。2012年南京大學(xué)張辰宇教授課題組證明了大米中的miR-168a在哺乳動物細胞中存在跨界調(diào)控現(xiàn)象，首次叩開了microRNA跨物種調(diào)控的大門。Liu等[20]研究發(fā)現(xiàn)，腸上皮細胞能分泌大量的microRNA，并且發(fā)現(xiàn)某些microRNA能夠進入細菌并與細菌的核酸序列結(jié)合調(diào)控細菌基因表達，從而影響細菌生長；進一步發(fā)現(xiàn)microRNA缺陷型小鼠的腸道微生物菌群嚴重失衡，通過正常小鼠糞便microRNA移植后，缺陷小鼠菌群多樣性得到有效的恢復(fù)。有趣的是，哺乳動物初乳中也存在大量外泌體，而外泌體中含有豐富的microRNA。有研究認為，初生動物的腸道尚未完全發(fā)育成熟，初乳中的這些microRNA能被動物腸道吸收進入體內(nèi)，促進宿主腸道免疫功能的發(fā)育和成熟等相關(guān)代謝過程[21-23]。但也有相反的研究發(fā)現(xiàn)，初乳中的microRNA并不能穿過腸道屏障影響宿主基因表達，而是被胃腸道中的消化酶降解[24]。但飲食來源的microRNA是否會對宿主腸道中的菌群直接進行調(diào)控，相關(guān)的研究結(jié)果目前還并未見報道。

3.2 腸道菌群對宿主免疫和代謝的調(diào)控機制

Johansson等[25]對比無菌小鼠和正常小鼠的腸道黏膜結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，腸道菌群能促進腸黏膜中粘蛋白的分泌，在維持宿主腸上皮完整性和通透性方面有重要作用。目前研究發(fā)現(xiàn)，腸上皮中存在多種模式識別受體(PRRs)，例如Toll樣受體、Nod樣受體和C-型凝集素受體等。這些受體能夠特異性地識別細菌表面的脂多糖(LPS)、磷壁酸、肽聚糖、夾膜多糖、鞭毛蛋白等組分，如細菌表面的LPS能夠與腸上皮表面的Toll樣受體(TRL4)結(jié)合，進而調(diào)控宿主相關(guān)的免疫反應(yīng)，如淋巴細胞的分化成熟、細胞因子的釋放、脂質(zhì)的合成分解甚至宿主情緒、行為等生理過程[26-29]。Ivanov等[30]研究發(fā)現(xiàn)，腸道中的分節(jié)絲狀菌(segmentedfilamentousbacteria)能刺激宿主腸上皮中輔助性T細胞17(Th17)的成熟分化和IL17、IL22等細胞因子的釋放。最新研究還發(fā)現(xiàn)，腸道菌群還可以通過鞭毛蛋白和LPS激活腸道固有層的髓系細胞(MyD88)分泌白介素23(IL-23)，IL-23進一步刺激3型天然淋巴細胞(ILC3)分泌白介素22(IL-22)， IL-22激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白3(STAT3)，進而抑制節(jié)律基因Nr1d1的轉(zhuǎn)錄活性，調(diào)控宿主的生物鐘功能[31]。除細菌表面組分外，菌體分泌的一些活性物質(zhì)，如短鏈脂肪酸(SCFAs)、組胺和吲哚類物質(zhì)，對宿主免疫和代謝也具有調(diào)控作用。腸上皮細胞上的短鏈脂肪酸受體GPR41和GPR43與腸道內(nèi)的短鏈脂肪釋放結(jié)合，激活組蛋白乙酰化，進而促進調(diào)節(jié)性T細胞的分化以及抗炎細胞因子的釋放[32-33]。Shimada等[34]研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌產(chǎn)生的吲哚能促進腸上皮緊密連接蛋白的表達，增強腸炎小鼠的免疫力。除此之外，某些腸道菌分泌的小分子RNA(細菌小RNA，sRNAs)也可能存在跨物種調(diào)控的作用。Liu等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在惡劣環(huán)境下,線蟲體內(nèi)的大腸桿菌能分泌內(nèi)源性的非編碼sRNA-DsrA，DsrA能抑制線蟲甘油二酯脂肪酶基因的表達，進而縮短線蟲的壽命。但關(guān)于哺乳動物腸道中菌群分泌的sRNAs是否也能進入宿主上皮細胞，進而調(diào)控宿主某些基因的表達，相關(guān)的研究結(jié)果目前亦未見報道。

4 菌群與菌群間的互作研究

4.1 腸道菌群之間的互作機制

腸道中菌群數(shù)目、種類繁多，正常情況下，腸道內(nèi)菌群間存在穩(wěn)定的競爭、協(xié)同和共生關(guān)系，在防御腸道病原菌感染、維持腸道穩(wěn)態(tài)等方面有著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，菌群之間存在競爭腸道結(jié)合位點、競爭碳源、礦物元素、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)的現(xiàn)象，即菌群的移植抗性[36-37]。由于代謝的相似性，同類群的菌群之間的移植抗性往往比不同類群菌群之間的競爭更為激烈。例如大腸桿菌(Escherichiacoli)和鼠類檸檬酸桿菌(Citrobacterrodentium)均屬于腸桿菌科，且兩者均需要單糖用以維持生長，在小鼠腸道中移植大腸桿菌可顯著抑制腸道中鼠類檸檬酸桿菌的生長[38]。一般認為，在菌群競爭或協(xié)同的過程中，菌體分泌的一些代謝物質(zhì)在其中起著決定性的調(diào)控作用。Kommineni等[39]研究發(fā)現(xiàn)，除宿主外，菌體也可以分泌抗菌肽，如腸道中的糞腸球菌(Enterococcusfaecalis)可產(chǎn)生細菌素類抗菌肽，用以殺滅其他細菌，增強自身的競爭優(yōu)勢。另外，某些細菌能產(chǎn)生膽汁酸，如閃爍梭菌(Clostridiumscindens)可通過自身分泌的膽汁酸直接抑制艱難梭菌(Clostridiumdifficile)的生長和梭菌毒力基因的表達[40]。另有研究發(fā)現(xiàn)，菌體產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(SCFAs)，不僅可以調(diào)控腸上皮的免疫和代謝，還能直接作用于某些病原菌，影響其毒力基因的表達。例如腸道中的丙酸和丁酸能有效地抑制鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)相關(guān)毒力基因的表達，降低沙門氏菌的感染性[41]。

4.2 群感效應(yīng)與腸道菌群互作

除上述代謝物外，最新研究發(fā)現(xiàn)，某些群感效應(yīng)分子可能在腸道菌群的交流互作中存在重要的作用。群感效應(yīng)是指某些細菌自身能產(chǎn)生一些信號分子，這些信號分子穿出菌體細胞，并在環(huán)境中積累，細菌通過感受環(huán)境中這些信號分子的濃度，同其他細菌交流(包括種內(nèi)和種間)。隨著細菌群體密度的增大，這些信號分子在環(huán)境中積累的濃度也增加，當這些信號分子在環(huán)境中積累到一定濃度時，信號分子便進入菌體細胞，激活細菌某些特定基因表達，調(diào)控細菌毒力因子的釋放和生物膜的形成等進程[42]。常見的信號分子包括三類，即高絲氨酸內(nèi)酯(AHLs)主要介導(dǎo)革蘭氏陰性菌群感效應(yīng)系統(tǒng)，寡肽類物質(zhì)(AIPs)主要介導(dǎo)革蘭氏陰性菌群感效應(yīng)系統(tǒng)，而呋喃硼酸二酯(AI-2)主要介導(dǎo)種間交流。由于動物腸道環(huán)境較為復(fù)雜，現(xiàn)在關(guān)于腸道中菌群的群感效應(yīng)的相關(guān)研究還比較少。Thompson等[43]研究發(fā)現(xiàn)，腸道內(nèi)的大腸桿菌能產(chǎn)生自誘導(dǎo)劑AI-2，AI-2能恢復(fù)腸道內(nèi)被鏈霉素擾亂的厚壁菌門(Firmicutes)的豐度，維持小鼠腸道菌群的平衡。Hughes等[44]發(fā)現(xiàn)，腸出血性大腸桿菌(EHEC)能產(chǎn)生受體蛋白SdiA，SdiA識別信號分子AHLs，激活耐酸基因的表達，但EHEC本身并不能合成AHLs，而是識別其他腸道菌產(chǎn)生的AHLs來介導(dǎo)群感效應(yīng)的發(fā)生[44]。值得注意的是，腸道內(nèi)AHLs的量很少，只有少數(shù)細菌，如小腸結(jié)腸炎耶爾森菌(Yersiniaenterocolitica)能夠產(chǎn)生AHLs，這也使得腸道內(nèi)AHLs介導(dǎo)的群感效應(yīng)的研究目前還不明朗[45]。另外，Ismai等[46]通過體外實驗發(fā)現(xiàn)，小鼠上皮細胞在細菌的刺激下也能產(chǎn)生AI-2類似物，參與細菌的群感效應(yīng)途徑。將群感效應(yīng)和腸道菌群結(jié)合起來，為今后探究菌群調(diào)控開拓了新的思路和方向。

6 總結(jié)和展望

宿主與其共生菌群之間維持著一種動態(tài)平衡的關(guān)系，以保證宿主的健康。宿主的飲食、環(huán)境和生理狀況均能影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能，而腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能的改變往往又能影響宿主代謝和免疫等功能。目前兩者之間的因果關(guān)系并不明確，比如宿主某種疾病的發(fā)生是因為其共生菌群改變導(dǎo)致的，還是宿主這種疾病的發(fā)生進而引起了其共生菌群的改變，這點我們不得而知。隨著模型動物(如無菌鼠、無菌豬和基因敲除鼠等)及組學(xué)分析手段(宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)等)的應(yīng)用，宿主與菌群之間、菌群與菌群之間調(diào)控的分子機制也逐漸被揭示。宿主分泌的抗菌肽、免疫球蛋白和microRNA以及菌體表面的脂多糖和菌體產(chǎn)生的短鏈脂肪酸、膽汁酸、sRNA、群感效應(yīng)分子等物質(zhì)在其中起著重要作用(圖1)。但宿主的腸道本身就是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其中還存在許多未解的科學(xué)問題值得我們?nèi)パ芯?。比如隨著對菌群“母體效應(yīng)”研究的逐步加深以及畜牧業(yè)“母子一體化”等概念的提出，使得人們更加關(guān)注母體孕期或胎兒腸道發(fā)育初期這一關(guān)鍵的時間節(jié)點，并開展相關(guān)的研究工作。另外，腸道微生物除常見的細菌外，還存在部分真菌、病毒和古菌，這些腸道成員與宿主之間又存在怎樣的關(guān)系，這也有待進一步的深入研究。相信在未來，隨著腸道菌群的神秘面紗不斷被揭開，將其中的新機制利用在某些疾病治療手段的研發(fā)以及改善人類健康等方面，將呈現(xiàn)出更為廣闊的前景。

圖1 宿主與腸道菌群之間的互作