冬眠行為與動(dòng)物腸道微生物相互作用機(jī)制的研究進(jìn)展

朱宇航 司華哲 張 玉 徐 超*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，長春 130000；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，長春 130118；3.吉林向海國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，通榆 137215)

冬眠現(xiàn)象在動(dòng)物界十分常見，能夠進(jìn)行冬眠的動(dòng)物可分為3類：變溫動(dòng)物(也稱外溫動(dòng)物)，如蛇(Serpentiformes)[1]、蛙(Ranidae)[2-3]和蟾蜍(Bufonidae)[4]；恒溫動(dòng)物(也稱內(nèi)溫動(dòng)物)，如熊(Ursidae)[5]、獾(Melesmeles)[6]和一些鳥類[7]；異溫動(dòng)物，如刺猬(Erinaceinae)[8]、地松鼠(Sciuridae)[9-11]和蝙蝠(Chiroptera)[12]等。冬眠是一種適應(yīng)行為，幫助動(dòng)物在冬季食物短缺時(shí)降低能量的消耗。動(dòng)物的冬眠狀態(tài)通常伴隨著代謝抑制[13]，其體溫根據(jù)周圍環(huán)境溫度而下降。在冬眠期間，動(dòng)物通常會(huì)短暫的蘇醒幾次[14-15]。冬眠動(dòng)物的食物組成具有很大的季節(jié)性變化，一般都會(huì)在夏秋季節(jié)加大自己的采食量以儲(chǔ)存脂肪，在冬眠期間會(huì)禁食，棕熊(Ursusarctos)和敘利亞倉鼠(Mesocricetusauratus)會(huì)在短暫的蘇醒期進(jìn)食[5,16-17]。

哺乳動(dòng)物腸道微生物附著在胃腸道黏膜和表皮細(xì)胞上，腸道微生物群落的組成具有宿主特異性，在宿主的一生中都在持續(xù)變化。研究表明，腸道微生物的組成結(jié)構(gòu)及其功能對宿主的健康有著重要影響，與宿主許多生理活動(dòng)，如代謝、行為、營養(yǎng)和免疫等密切相關(guān)[18]。宿主的習(xí)性、食物組成及周圍環(huán)境變化對腸道微生物影響很大[19-20]。當(dāng)宿主食物組成變化時(shí)，腸道微生物會(huì)對變化做出適應(yīng)性反應(yīng)，通過改善宿主的消化功能以利用新的食物組成[21]。冬眠動(dòng)物如棕熊，通常在冬眠前大量進(jìn)食，并在冬眠期間禁食[22]，因此，腸道微生物會(huì)做出適應(yīng)性改變。

冬眠引起動(dòng)物食物組成的變化從而影響腸道微生物變化，腸道微生物的變化也會(huì)對冬眠宿主動(dòng)物的能量代謝起到調(diào)節(jié)作用。本文綜述了冬眠現(xiàn)象對動(dòng)物腸道微生物及其代謝產(chǎn)物的影響和冬眠期間動(dòng)物腸道微生物變化與腸道免疫系統(tǒng)變化的聯(lián)系，以期為冬眠動(dòng)物腸道微生物的研究提供參考。

1 冬眠對動(dòng)物腸道微生物的影響

許多有冬眠習(xí)性的哺乳動(dòng)物，如北極地松鼠(Urocitellusparryii)[11]、十三條紋地松鼠(Ictidomystridecemlineatus)[9-10]、棕熊[5]、馬鐵菊頭蝠(Rhinolophusferrumequinum)[12]、兩棲動(dòng)物東北林蛙(Ranadybowskii)[23]和斑腿泛樹蛙(Polypedatesmegacephalus)[3]，其腸道菌群Shannon指數(shù)和Chao1指數(shù)在冬眠期間會(huì)較非冬眠期低[3,5,9-12, 24]。這說明冬眠期間動(dòng)物腸道微生物的多樣性和豐富度均降低。此外，冬眠期間動(dòng)物腸道微生物的β多樣性與非冬眠期相比，也存在顯著差異[2,3,5,9-12]，表明冬眠期間動(dòng)物腸道菌群的群落結(jié)構(gòu)與非冬眠期相比，存在顯著差異。

冬眠期間，動(dòng)物腸道菌群中厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度普遍下降[2,3,5,10-12,17,25]，擬桿菌門(Bacteroidetes)和變形菌門(Proteobacteria)相對豐度普遍上升[2,3,5,10-11]。擬桿菌門細(xì)菌通常以淀粉、纖維素和果膠等為底物，在蛋白質(zhì)的代謝中也發(fā)揮重要作用。冬眠期間，擬桿菌門相對豐度的增加可能是由于擬桿菌門細(xì)菌具有代謝宿主黏液聚糖的能力，這種能力使擬桿菌門細(xì)菌能夠在缺乏食物多糖時(shí)轉(zhuǎn)而代謝宿主多糖[25]，也可能是由于擬桿菌門參與代謝腸道表皮提供的蛋白質(zhì)和脂肪[26]。冬眠期間，木蛙(Ranasylvatica)[24]、斑腿泛樹蛙[3]、十三條紋地松鼠[10]和北極地松鼠[11]腸道菌群中疣微菌門(Verrucomicrobia)的相對豐度較非冬眠期更高，然而在冬眠的棕熊和馬鐵菊頭蝠的腸道菌群中并沒有這種現(xiàn)象[5,12]。此外，木蛙腸道菌群中，放線菌門(Actinobacteria)和酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度在冬眠期間顯著升高[24]。冬眠期間，幾乎所有冬眠動(dòng)物的腸道微生物中擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門都占據(jù)優(yōu)勢地位，尤其是擬桿菌門[2,3,5,9-12,17,24]，其相對豐度在冬眠的十三條紋地松鼠[10]、北極地松鼠[11]、棕熊[5]、斑腿泛樹蛙[3]、東北林蛙[2]和黑龍江林蛙(Ranaamurensis)[23]的腸道菌群各菌門中最高。疣微菌門、放線菌門和軟壁菌門(Tenericutes)在冬眠的東北林蛙、斑腿泛樹蛙、棕熊、十三條紋地松鼠、北極地松鼠、馬鐵菊頭蝠、敘利亞倉鼠和木蛙腸道菌群中也占據(jù)優(yōu)勢地位[2,3,5,9-12,17,24]。

1.1 厚壁菌門及相關(guān)菌屬在冬眠期間的變化

厚壁菌門相對豐度在冬眠期間的降低主要體現(xiàn)在梭菌綱(Clostridia)中毛螺菌科(Lachnospiracea)[9-11]和厭氧棍狀菌屬(Anaerotruncus)[10]相對豐度的顯著降低，梭菌綱中的細(xì)菌能夠以植物多糖為底物[27]。乳桿菌目(Lactobacillales)中鏈球菌科(Streptococcaceae)[2,5]和乳桿菌科(Lactobacillaceae)[9-11]相對豐度較非冬眠期間顯著降低，乳桿菌屬(Lactobacillus)的相對豐度雖然較非冬眠期降低，但是差異并不顯著。乳桿菌目的細(xì)菌具有共同的代謝和生理特性，參與碳水化合物發(fā)酵。因此，冬眠期間，動(dòng)物腸道菌群梭菌綱和乳桿菌目相對豐度的降低可能是其底物的缺失導(dǎo)致的。然而，在棕熊中發(fā)現(xiàn)，糞球菌屬(Coprococcus)的相對豐度在冬眠期和非冬眠期差距很小[5]，這說明糞球菌屬在棕熊腸道菌群中發(fā)揮著重要作用，糞球菌屬能夠產(chǎn)生丁酸，而丁酸鹽的含量對腸道屏障功能十分重要[28]。

1.2 擬桿菌門及相關(guān)菌屬在冬眠期間的變化

擬桿菌門相對豐度在冬眠期間的升高主要體現(xiàn)在擬桿菌綱(Bacteroidia)中紫單胞菌科(Porphyromonadaceae)[9-10]、理研菌科(Rikenellaceae)[9-11]、擬桿菌科(Bacteroidaceae)[2,5,10-11]、擬桿菌科中擬桿菌屬(Bacteroides)[2,5,10-11]和理研菌科中另枝菌屬(Alistipes)[10]相對豐度較非冬眠期顯著升高。然而，在冬眠期十三條紋地松鼠和北極地松鼠腸道菌群中，擬桿菌綱中的普雷沃菌屬(Prevotella)[10-11]相對豐度較非冬眠期顯著降低。普雷沃菌屬的基因組分析表明，它缺乏降解宿主黏液多糖的能力，更適合植物多糖的降解[29]。動(dòng)物冬眠期間，腸道中缺乏來自食物的多糖，因此，能夠降解宿主多糖的細(xì)菌具有競爭優(yōu)勢，相對豐度上升；對于沒有降解宿主多糖能力的細(xì)菌，由于沒有代謝底物，其相對豐度顯著降低。

1.3 疣微菌門及相關(guān)菌屬在冬眠期間的變化

疣微菌門相對豐度在冬眠期間的升高主要體現(xiàn)在疣微菌科(Verrucomicrobiaceae)和嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansiamuciniphila)，其在斑腿泛樹蛙、木蛙、敘利亞倉鼠和十三條紋地松鼠腸道中升高[3,9-11,17,24]。疣微菌科和嗜黏蛋白阿克曼菌相對豐度的升高，可能是由于它們能夠以宿主胃腸黏液多糖或宿主腸道中的黏液蛋白為底物[30]。

1.4 放線菌門及相關(guān)菌屬在冬眠期間的變化

放線菌門中的一些菌屬的相對豐度在冬眠期間會(huì)下降。在棕熊中，微球菌屬(Micrococcus)的相對豐度雖然較非冬眠期降低，但是差異并不顯著[5]。在十三條紋地松鼠和東北林蛙中發(fā)現(xiàn)，紅椿菌科(Coriobacteriaceae)的相對豐度較非冬眠期顯著降低[2,10]。通過與碳水化合物活性酶數(shù)據(jù)庫(Carbohydrate-Active Enzyme Database，CAZy)進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)，微球菌屬和紅椿菌科的成員含有一些能夠催化果膠、纖維素和淀粉等碳水化合物降解的酶，因此，紅椿菌科相對豐度在十三條紋地松鼠和東北林蛙腸道菌群中顯著降低，可能是冬眠期間動(dòng)物的禁食行為導(dǎo)致的。冬眠棕熊腸道菌群中微球菌屬的相對豐度較非冬眠期降低，但是差異并不顯著，可能與棕熊在冬眠期間的短暫蘇醒期進(jìn)食有關(guān)[5,16]。

在東北林蛙和木蛙中，變形菌門中假單胞菌屬(Pseudomonas)相對豐度在冬眠期間顯著升高[2,24]。在冬眠棕熊中，腸桿菌科(Enterobacteriaceae)的相對豐度較非冬眠期顯著增加。假單胞菌屬的成員具有廣泛的代謝多樣性，腸桿菌科細(xì)菌能夠發(fā)酵糖類產(chǎn)生乳酸，它們相對豐度的顯著增加可能是因?yàn)樗鼈円材軌虼x腸黏液多糖[31]。此外，冬眠期間腸道菌群多樣性和豐富度的降低，尤其是一些有益菌的減少，對病原菌的抑制作用下降，導(dǎo)致腸桿菌科相對豐度在冬眠期顯著增加。

2 冬眠對腸道微生物代謝產(chǎn)物的影響

動(dòng)物冬眠時(shí)，其腸道微生物會(huì)自發(fā)的重組，改變菌群的結(jié)構(gòu)，在長時(shí)間的禁食和低溫條件下，始終與宿主保持一種互利關(guān)系。這使腸道菌群能夠?yàn)樗拗魈峁┐x產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物對宿主在冬眠期間保持免疫和代謝穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[32]。短鏈脂肪酸(short fatty acids，SCFAs)是腸道菌群代謝的主要產(chǎn)物，可以被轉(zhuǎn)換作為葡萄糖，或者促進(jìn)糖異生，此外，其新陳代謝能夠促進(jìn)腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)合成[33]。由于動(dòng)物在冬眠期間禁食，導(dǎo)致腸道內(nèi)SCFAs的含量降低[9,17]，低水平的SCFAs可能是小腸黏膜萎縮和腸屏障通透性增加的主要原因[9]。

腸道中丁酸鹽的含量與厚壁菌門的相對豐度呈正相關(guān)，厚壁菌門相對豐度在冬眠動(dòng)物腸道菌群中普遍降低[2,3,5,10-12,17,24]，這導(dǎo)致了腸道中丁酸鹽含量的降低[34]。丁酸鹽是腸上皮細(xì)胞的首選能量來源，可以通過刺激上皮細(xì)胞增殖和恢復(fù)，調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡并參與黏液產(chǎn)生以維持腸道屏障的完整性，降低炎癥反應(yīng)[35-37]。動(dòng)物冬眠期間，腸道菌群中產(chǎn)乳酸的細(xì)菌，例如乳酸桿菌[9-11]和微球菌屬[5,38]，其相對豐度的降低會(huì)導(dǎo)致腸道中乳酸水平的降低。一般認(rèn)為，乳酸鹽是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的肌肉在氧供應(yīng)不足時(shí)的代謝產(chǎn)物，但是，在有氧條件下也能夠產(chǎn)生乳酸鹽[41]。乳酸鹽可作為一種重要的能量來源，并在有氧環(huán)境下調(diào)節(jié)脂質(zhì)和碳水化合物代謝[39]。同樣，冬眠期間琥珀酸含量的增加與產(chǎn)琥珀酸細(xì)菌如腸桿菌科的相對豐度增加有關(guān)[5]。琥珀酸是三羧酸循環(huán)的中間物質(zhì)，在ATP生成中起著重要作用[40]。然而，宿主也能產(chǎn)生乳酸和琥珀酸，因此宿主代謝的季節(jié)性變化也可能導(dǎo)致乳酸和琥珀酸的差異。

SCFA含量雖然在冬眠期間較夏季降低[9]，但是其相對比例在冬眠期間反而會(huì)升高，如乙酸。腸道上皮細(xì)胞和外周腸道組織可利用乙酸鹽作為能量來源，轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟中的乙酸鹽還可以用于合成脂肪酸和膽固醇[41-42]。此外，肝臟和腸上皮細(xì)胞還可將乙酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)橥w[43]。冬眠動(dòng)物可利用酮體作為大腦、肌肉和心臟組織的能量來源[44]，使心臟不受缺血再灌注損傷，并在冬眠動(dòng)物蘇醒時(shí)促進(jìn)動(dòng)物從低耗氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高耗氧狀態(tài)[44]。乙酸鹽相對比例在冬眠期間的升高可能是嗜黏蛋白阿克曼菌[3,9-11,17,24]相對豐度的升高導(dǎo)致的，嗜黏蛋白阿克曼菌能夠?qū)ひ旱鞍邹D(zhuǎn)化為乙酸鹽[30]。高脂飲食會(huì)破壞腸道表皮的完整性，對于高脂飼養(yǎng)的小鼠，嗜黏蛋白阿克曼菌不僅可以阻止其體重增加，還能夠幫助小鼠恢復(fù)腸道表皮的完整性[45]。這可能是由于嗜黏蛋白阿克曼菌產(chǎn)生的乙酸鹽能夠?yàn)槟c道表皮細(xì)胞提供能量。嗜黏蛋白阿克曼菌在改善肥胖和糖尿病時(shí)能夠發(fā)揮有益作用[45-46]，口服經(jīng)過巴氏消毒的嗜黏蛋白阿克曼菌能夠減輕食物引起的肥胖[47]。此外，經(jīng)過巴氏消毒后，嗜黏蛋白阿克曼菌降低小鼠機(jī)體脂肪含量，改善胰島素抵抗和血脂異常的能力顯著增強(qiáng)[48]。在其他一些疾病中，嗜黏蛋白阿克曼菌也能夠發(fā)揮抗炎作用[49-50]并減輕雞沙門氏菌感染[48]。

3 冬眠期間腸道免疫系統(tǒng)的變化與腸道微生物變化的聯(lián)系

腸道黏膜微生物可通過產(chǎn)生有機(jī)酸降低pH[51]、分泌抗微生物化合物[52]、與病原菌競爭營養(yǎng)和附著位點(diǎn)幫助宿主組織防止微生物入侵[53-54]。與病原微生物和腸腔內(nèi)的微生物相比，黏膜微生物與腸道上皮更近，更有可能通過直接與細(xì)胞互作，或通過微生物相關(guān)分子模式(microorganism-associated molecular patterns，MAMPs)或其代謝物的擴(kuò)散間接調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)[55]。宿主可通過病原識(shí)別受體(pathogen recognition receptors，PRRs)識(shí)別MAMPs，PRRs可分為跨膜型、胞質(zhì)型和分泌型3種類型[55]，最具特征的跨膜類PRRs是Toll樣受體(Toll like receptors, TLRs)[56-57]。在十三條紋地松鼠中，Toll樣受體4(Toll like receptor 4,TLR4)在冬眠期的表達(dá)要低于在夏季的表達(dá)，Toll樣受體5(Toll like receptor 5,TLR5)在冬眠期的表達(dá)要高于在夏季的表達(dá)[10]。TLR4通過與其配體脂多糖的結(jié)合，能夠破壞下游炎癥反應(yīng)[58]。相比之下，TLR5通過其配體鞭毛蛋白的激活，可產(chǎn)生保護(hù)性的抗炎反應(yīng)并維護(hù)腸道屏障功能[59]。上皮細(xì)胞TLRs的表達(dá)會(huì)影響?zhàn)つの⑸锶旱慕M成，同時(shí)，微生物群的存在也會(huì)影響TLRs在上皮細(xì)胞的表達(dá)[60]。在冬眠后期，TLR4和TLR5的表達(dá)發(fā)生改變，雖然還沒有發(fā)現(xiàn)直接的因果關(guān)系，這可能是冬眠期間腸道環(huán)境的改變引起的一種保護(hù)反應(yīng)，包括上皮通透性的增加以及黏膜和腸腔內(nèi)菌群的改變[9]。冬眠期間,由于禁食，冬眠動(dòng)物腸道上皮通透性增加[61]，增加細(xì)菌遷移和免疫系統(tǒng)過度激活的風(fēng)險(xiǎn)。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，冬眠會(huì)改變動(dòng)物腸道微生物的組成，進(jìn)而影響腸道微生物的代謝活動(dòng)，最終影響宿主的代謝及健康狀態(tài)。研究冬眠動(dòng)物的腸道微生物變化，可以更好地對動(dòng)物進(jìn)行保護(hù)和利用。在動(dòng)物冬眠狀態(tài)下，腸道微生物的變化與健康狀態(tài)的維持密切相關(guān)，禁食會(huì)增加腸道通透性、調(diào)節(jié)腸道免疫、改變腸道內(nèi)短鏈脂肪酸的含量并因此降低炎癥反應(yīng)或提供能量，因此，對其中具體的作用機(jī)制進(jìn)行研究，或許能為畜禽養(yǎng)殖提供幫助。目前，大多數(shù)研究關(guān)注腸道微生物及宿主生理對冬眠現(xiàn)象的反應(yīng)，應(yīng)進(jìn)一步通過添加抗生素或微生物移植驗(yàn)證微生物在冬眠現(xiàn)象中的作用，并研究其中的作用機(jī)制。此外，一些具有半冬眠現(xiàn)象的動(dòng)物如黑貉，關(guān)于其腸道微生物在冬眠現(xiàn)象中作用的研究仍未見報(bào)道，研究半冬眠現(xiàn)象對黑貉腸道微生物的影響可更好地利用這一重要的經(jīng)濟(jì)動(dòng)物。