張 晨,敖日格樂(lè)*,王純潔,斯木吉德
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)
在哺乳動(dòng)物體內(nèi)有一個(gè)豐富的微生態(tài)系統(tǒng),微生物總量可達(dá)到宿主體細(xì)胞總數(shù)的10 倍,總體基因組數(shù)能達(dá)到150 倍[1]。不同個(gè)體之間的微生物群各不相同,隨著時(shí)間的推移,個(gè)體中的微生物群也會(huì)發(fā)生明顯改變。研究表明,腸道菌群與宿主的免疫功能密切相關(guān),在其影響宿主免疫功能的同時(shí),宿主的免疫系統(tǒng)也可能同時(shí)在保護(hù)腸道益生菌[2]。宿主與微生物之間的相互作用可以維持機(jī)體的穩(wěn)態(tài),當(dāng)機(jī)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)被打亂就可能導(dǎo)致慢性炎癥和代謝功能障礙[3]。此外,環(huán)境因素、衛(wèi)生和抗生素的使用以及低纖維、高糖高脂的飲食都會(huì)導(dǎo)致腸道菌群失衡,繼而影響宿主健康[4]。腸道微生物已被證實(shí)具有調(diào)節(jié)免疫的發(fā)展和代謝功能及預(yù)防疾?。ㄈ邕^(guò)敏、結(jié)腸癌和炎性腸?。┑仍S多有益功能[5-6]。大多數(shù)有益功能是由短鏈脂肪酸(SCFA)介導(dǎo),SCFA 主要由乙酸、丙酸和丁酸組成,它們除了作為重要的能源,還可以影響機(jī)體血糖和血脂水平、結(jié)腸環(huán)境及免疫功能。本文綜述腸道中微生物SCFA 的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)運(yùn)及其對(duì)腸道細(xì)胞和免疫反應(yīng)的影響,以期為SCFA 作為動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)素研究提供理論依據(jù)。
1.1 SCFA 的產(chǎn)生 SCFA 是飽和脂肪族有機(jī)酸,由1~6個(gè)碳組成,其中乙酸、丙酸和丁酸含量最高(≥95%),三者在結(jié)腸中的摩爾比近似為60:20:20[7-8],主要由低聚糖、非淀粉多糖(NSP)、抗性淀粉(RS)等發(fā)酵產(chǎn)生,其中RS 是產(chǎn)生丁酸的重要來(lái)源。對(duì)于個(gè)體不同腸道部位,近端結(jié)腸的總SCFA 濃度高于遠(yuǎn)端結(jié)腸[9]。然而目前無(wú)法準(zhǔn)確得知腸道菌群對(duì)SCFA 的生產(chǎn)量,因?yàn)榇蠖鄶?shù)SCFA 都已在結(jié)腸腔中被吸收,而且體外培養(yǎng)不同于體內(nèi)情況,在分離微生物期間,菌群的多樣性會(huì)發(fā)生急劇變化,同時(shí)產(chǎn)物也會(huì)在發(fā)酵中累積。而SCFA 濃度與細(xì)菌的底物有關(guān),糞便中的SCFA 分析結(jié)果可以作為腸道中SCFA 水平的近似值,從而可以推斷出SCFA在腸道與糞便中的關(guān)系[10]。
乙酸是多種細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)物,通過(guò)乙酰輔酶A 或Wood-Ljungdahl 途徑由丙酮酸從丙酮酸鹽中生產(chǎn)[11]。丙酸是擬桿菌門(mén)發(fā)酵的主要產(chǎn)物,通過(guò)琥珀酸酯途徑從琥珀酸酯轉(zhuǎn)化為甲基丙二酰輔酶A 產(chǎn)生,也可以以乳酸為前體,通過(guò)丙烯酸酯途徑和丙二醇途徑合成[12]。丁酸是厚壁菌門(mén)的主要代謝產(chǎn)物,是由2 個(gè)乙酰-CoA分子縮合,然后還原為丁酰-CoA,通過(guò)磷酸轉(zhuǎn)丁酰酶和丁酸酯激酶將其轉(zhuǎn)化為丁酸;丁酰-CoA 也可以通過(guò)乙酰-CoA 轉(zhuǎn)移酶途徑轉(zhuǎn)化為丁酸酯,腸道中的某些微生物可以同時(shí)使用乳酸鹽和乙酸鹽來(lái)合成丁酸鹽,從而防止乳酸鹽的積累并穩(wěn)定腸道環(huán)境;還可以通過(guò)賴(lài)氨酸途徑由蛋白質(zhì)合成丁酸,這進(jìn)一步表明腸道中的微生物可以適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)換,從而維持SCFA 的合成[13-14]。
1.2 SCFA 的轉(zhuǎn)運(yùn) SCFA 可以通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散滲透通過(guò)細(xì)胞膜,但它們的轉(zhuǎn)運(yùn)主要依靠質(zhì)子偶合單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(MCT1/SLC16A1)和鈉偶合單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(SMCT1/SLC5A8),MCT1 在腸細(xì)胞頂膜中以依賴(lài)H+的方式轉(zhuǎn)運(yùn)SCFA,SMCT1 對(duì)SCFA 陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)與Na+偶聯(lián)轉(zhuǎn)運(yùn),其中MCT 的SCFA 陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)作用優(yōu)于SMCT1 的轉(zhuǎn)運(yùn)[15]。在人、小鼠和大鼠的結(jié)腸中觀察到MCT1 和SMCT1 顯著表達(dá),且表達(dá)水平高于在回腸中的表達(dá)水平[16]。同樣對(duì)于反芻動(dòng)物,MCT1 蛋白表達(dá)水平為近端結(jié)腸>遠(yuǎn)端結(jié)腸>小腸[17]。另一方面,SMCT1主要在近端和遠(yuǎn)端結(jié)腸以及回腸腸上皮細(xì)胞的頂膜中被檢測(cè)到。并且GF 小鼠可以通過(guò)細(xì)菌與腸道的重新定殖使結(jié)腸和回腸中SMCT1 表達(dá)降低的情況得到改善[18]。
MCT1 作為腸上皮細(xì)胞(IEC)中攝取丁酸的主要轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,其表達(dá)受丁酸和碳水化合物誘導(dǎo)。研究表明在體外培養(yǎng)人小腸上皮細(xì)胞(AA/C1)中加入不同濃度的丁酸鈉時(shí),Mct1基因與其蛋白的表達(dá)水平均隨丁酸鈉濃度的增加與培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)而升高,并且發(fā)現(xiàn)丁酸鈉吸收的最大速度顯著增加,但米氏常數(shù)沒(méi)有變化,說(shuō)明丁酸鈉吸收增加是通過(guò)增加細(xì)胞膜上Mct1的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[19]。此外,在離體豬結(jié)腸黏膜培養(yǎng)中研究發(fā)現(xiàn),丁酸鹽的直接作用會(huì)使Mct1mRNA 表達(dá)上調(diào)[20]。
在大鼠飼糧中添加果膠后,其胃腸道Mct1水平上調(diào),尤其是在結(jié)腸黏膜的頂膜中更為顯著[21]。在仔豬飼糧中添加燕麥β-葡聚糖,仔豬盲腸段Mct1表達(dá)水平升高[22]。也有研究表明,與可消化淀粉(DS)相比,日糧中添加RS 后,豬盲腸和結(jié)腸黏膜中Mct1mRNA的水平增加;而Smcct1mRNA 水平不受RS 或DS 飲食的影響,表明與Smcct1相比,RS 對(duì)Mct1表達(dá)有特異性調(diào)節(jié)[23]。另一方面,高蛋白飲食可導(dǎo)致豬結(jié)腸Mct1的表達(dá)減少,但不會(huì)影響丁酸水平,同時(shí)伴隨著TNF-α、IL-8和IFN-γmRNA 的表達(dá)增高,說(shuō)明炎性環(huán)境會(huì)影響丁酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)[20]。
SCFA 參與調(diào)節(jié)宿主多個(gè)系統(tǒng)功能,如腸道、血液、神經(jīng)及內(nèi)分泌系統(tǒng),并因其具有抗炎作用而與腸道炎癥密切相關(guān)。SCFA 除了被MCT1 和SMCT1 等轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白吸收后可促進(jìn)細(xì)胞代謝外,還可以作為信號(hào)分子影響腸道免疫系統(tǒng),從而調(diào)控腸道炎癥[24]。大量研究表明,SCFA 主要通過(guò)激活細(xì)胞表面G 蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)以及抑制組蛋白去乙?;?(HDACs)來(lái)調(diào)控免疫功能[25]。
2.1 SCFA 對(duì)腸細(xì)胞增殖的影響 在GF 和經(jīng)抗生素處理的無(wú)特定病原體(SPF)小鼠中,IEC 在腸道隱窩中的增殖活性以及沿隱窩-絨毛軸的遷移均明顯減弱,但在用革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌以及口服SCFA 治療后,GF 和SPF 小鼠IEC 周轉(zhuǎn)率顯著增加[26]。丁酸在被IEC 吸收后,進(jìn)入線(xiàn)粒體啟動(dòng)三羧酸循環(huán),從而為細(xì)胞提供能量,還可以促進(jìn)組蛋白乙酰化,上調(diào)細(xì)胞增殖相關(guān)基因,促進(jìn)細(xì)胞增殖[27]。
但丁酸對(duì)腸道干細(xì)胞的作用與IEC 不同。丁酸酯會(huì)通過(guò)充當(dāng)HDAC 抑制劑并增強(qiáng)細(xì)胞周期負(fù)調(diào)節(jié)因子Foxo3 的啟動(dòng)子活性來(lái)抑制腸道干細(xì)胞增殖[28]。完整的隱窩結(jié)構(gòu)使得干細(xì)胞避免暴露于較高濃度的丁酸鹽中,但已分化的IEC 在更高濃度的SCFA 中不受抑制[29]。這些結(jié)果表明丁酸酯具有細(xì)胞類(lèi)特異性作用。
此外,相較于正常細(xì)胞,丁酸可以抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)其凋亡,可能是因?yàn)榘┘?xì)胞缺乏乳腺癌耐藥蛋白(BCRP,一種丁酸流出細(xì)胞的載體)使得丁酸累積,通過(guò)抑制HDAC,上調(diào)多種促凋亡蛋白和 (或)下調(diào)多種抗凋亡蛋白的表達(dá),促使癌細(xì)胞凋亡[30]。但也有研究指出低劑量的丁酸會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞的自噬[31]。
2.2 SCFA 對(duì)腸上皮屏障的影響 作為機(jī)體重要的防御機(jī)制之一,完整的腸上皮屏障可以將機(jī)體與腸腔內(nèi)容物分開(kāi)。而SCFA 對(duì)維護(hù)腸上皮屏障有著至關(guān)重要的作用,其中丁酸為主要因素[32]。SCFA 通過(guò)誘導(dǎo)小腸上皮細(xì)胞分泌IL-18、抗菌肽、黏蛋白并上調(diào)緊密連接的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)小腸屏障的完整性[33]。丁酸可以促進(jìn)腸道中MUC3和MUC5的表達(dá)從而增加黏液中黏蛋白的產(chǎn)生[34]。作為結(jié)腸細(xì)胞的主要能源,丁酸可以增強(qiáng)腸上皮細(xì)胞系中O2的消耗從而穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)[35-36]。HIF作為一種協(xié)調(diào)屏障保護(hù)的轉(zhuǎn)錄因子在維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)起著關(guān)鍵作用,上皮HIF-1α的缺失會(huì)增加對(duì)結(jié)腸炎的易感性[33,37-38]。研究表明,在用抗生素治療的小鼠或GF 小鼠中,HIF-1α的表達(dá)和丁酸水平均降低,但在補(bǔ)充丁酸后,HIF-1α的表達(dá)得以恢復(fù)[39]。并且在GF 小鼠結(jié)腸細(xì)胞中觀察到丁酸代謝通路受到抑制,而丁酸鹽的缺失使能量缺乏導(dǎo)致較低的ATP 水平,最終導(dǎo)致自噬,在用產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌對(duì)GF 小鼠進(jìn)行再定植后,丁酸為結(jié)腸細(xì)胞供能將自噬抑制到正常水平[40]??偟膩?lái)說(shuō),SCFA 對(duì)維護(hù)腸上皮屏障發(fā)揮重要作用。
2.3 SCFA 的抗炎作用
2.3.1 SCFA 作為GPCR 的配體 GCPR 廣泛存在于免疫細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞中,SCFA 主要激活游離脂肪酸受體2(GPR43/FFAR2)、游離脂肪酸受體3(GPR41/FFAR3) 和羥基羧酸受體2(GPR109A/HCAR2)。GPR43/FFAR2 是一種Gi/o和Gq雙偶聯(lián)GPCR,其功能主要由Gi/o介導(dǎo),但在腸道中只與Gq偶聯(lián)[41]。GPR43的配體主要是乙酸和丙酸,主要表達(dá)部位在結(jié)腸和小腸上皮細(xì)胞、腸內(nèi)分泌細(xì)胞、結(jié)腸固有層細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、骨骼肌等。GPR41/FFAR3 是一種Gi/o偶聯(lián)GCPR,配體親和力為丙酸>丁酸>乙酸,主要表達(dá)部位在結(jié)腸和小腸上皮細(xì)胞、結(jié)腸固有層細(xì)胞、脾臟、骨髓、脂肪組織及外周神經(jīng)系統(tǒng)等[42]。GPR109A/HCAR2 僅與Gi/o偶聯(lián),在腸道中丁酸和β-羥基丁酸酯作為其主要配體,主要表達(dá)部位在結(jié)腸和小腸上皮的頂膜和免疫細(xì)胞[43]。
SCFA 通過(guò)激活GPCR 來(lái)調(diào)節(jié)腸道功能,成為調(diào)節(jié)代謝異常和免疫的重要因素。在發(fā)炎期間,SCFA 通過(guò)激活GPR43 刺激中性粒細(xì)胞遷移并調(diào)節(jié)其活性氧的產(chǎn)生和吞噬作用[24,44]。在對(duì)野生型(WT)小鼠和Gpr43-/-小鼠加入葡聚糖硫酸鈉(DSS)后,Gpr43-/-小鼠在模型中表現(xiàn)出炎癥加劇、炎性因子表達(dá)增強(qiáng),對(duì)2 種小鼠分別灌服乙酸后,WT 小鼠癥狀明顯減輕,而Gpr43-/-小鼠沒(méi)有發(fā)生變化,表明乙酸需要通過(guò)GPR43 才可以影響抗炎,隨后證實(shí)了是乙酸與結(jié)腸上皮細(xì)胞的GPR43結(jié)合后刺激K+流出和超極化,導(dǎo)致NLRP3 炎性體活化,從而誘導(dǎo)IL-18 釋放[45]。丁酸也同樣可以激活GPR109A,通過(guò)相同的機(jī)制來(lái)誘導(dǎo)IL-18 釋放[46-47]。SCFA也可以通過(guò)激活GPR41 和GPR43,從而抑制IL-6 和IL-8 的產(chǎn)生[48]。在IECs 模型中,丁酸通過(guò)體外結(jié)腸細(xì)胞系和離體小鼠結(jié)腸中的GPR109A 抑制脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子-核因子κB(NF-κB)活化,且正常結(jié)腸中GPR109A 的激活不僅會(huì)阻斷LPS 誘導(dǎo)的NF-κB激活,還可以影響NF-κB 的基礎(chǔ)活性[49]。這些結(jié)果證實(shí)了SCFA 激活GPR109A 和GPR43 在控制炎癥和促進(jìn)結(jié)腸上皮修復(fù)中的重要作用。SCFA 通過(guò)GPCR 誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞(Treg)增殖。研究發(fā)現(xiàn),給GF 小鼠提供乙酸鹽和丙酸鹽后,激活GPR43 上調(diào)叉頭轉(zhuǎn)錄因子3(Foxp3)表達(dá)從而刺激結(jié)腸Treg 的擴(kuò)增,從而增加IL-10 的表達(dá)[50]。丁酸也可以通過(guò)GPR109A 誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞(DC)調(diào)節(jié)Treg 擴(kuò)增,增加IL-10的表達(dá)[33,47],而乙酸可以誘導(dǎo)DC 上GPR41 促進(jìn)腸道產(chǎn)生IgA[51]。
2.3.2 SCFA 作為HDAC 抑制劑 酶控制的組蛋白翻譯后修飾(HPTM)是基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵,其中最重要的是由乙?;D(zhuǎn)移酶(HATs)和脫乙?;福℉DACs)控制的組蛋白乙?;痆52]。HDAC 的過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致組蛋白乙?;瘻p少,從而抑制基因表達(dá)[53]。SCFA 除了在細(xì)胞外作為信號(hào)分子產(chǎn)生抗炎作用外,還可通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)胞后作為HDAC 抑制劑,從而參與調(diào)節(jié)促進(jìn)許多疾病發(fā)病機(jī)理的基因的表達(dá)[25]。其中丁酸被認(rèn)為是SCFA 中最有效的HDAC 抑制劑,而與之前報(bào)道不同的是,R-β-羥基丁酸酯未顯示出易于檢測(cè)的HDAC 抑制劑活性,并且對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞具有輕微的促炎作用[54]。
SCFA 可能通過(guò)抑制HDAC 作用于單核血細(xì)胞和中性粒細(xì)胞,從而減少這些細(xì)胞產(chǎn)生的促炎性腫瘤壞死因子(TNF),并導(dǎo)致NF-κB 失活,下調(diào)IL-2、IL-6、IL-8 等促炎細(xì)胞因子的表達(dá)[48,55-58]。其中,丁酸通過(guò)抑制HDAC3 使單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞分化,增強(qiáng)其內(nèi)在抗菌功能[59]。并且SCFA 通過(guò)HDAC 抑制增加組蛋白乙?;?,調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR),通過(guò)增加mTOR 復(fù)合物的活性,增強(qiáng)葡萄糖氧化并生成乙酰輔酶A 來(lái)誘導(dǎo)T 細(xì)胞和調(diào)節(jié)性B 細(xì)胞(Bregs)中的IL-10 表達(dá),并且mTOR-S6K 激酶途徑對(duì)于T 淋巴細(xì)胞的分化至關(guān)重要[60-61]。因此,不同于GPR41 或GPR43 途徑,SCFA 也可以通過(guò)抑制HDAC 促進(jìn)T 淋巴細(xì)胞分化為效應(yīng)T 細(xì)胞(Te)和Treg[27]。HDACs 可以通過(guò)影響Foxp3的乙?;瑢?dǎo)致Foxp3降解,所以SCFA 也可以通過(guò)抑制HDAC 增加Treg 細(xì)胞中Foxp3基因表達(dá),防止蛋白酶體降解以及增強(qiáng)Foxp3的穩(wěn)定性和活性,從而抑制炎癥反應(yīng)[50,62]。另一方面,在鼠模型研究中發(fā)現(xiàn),F(xiàn)oxp3的乙?;偈蛊渑cIL-2 啟動(dòng)子區(qū)域的結(jié)合,從而導(dǎo)致內(nèi)源性IL-2 分泌受到抑制,而IL-2 可以抑制Treg 細(xì)胞產(chǎn)生干擾素-γ(IFN-γ)。同時(shí)SCFA 通過(guò)HDAC 抑制作用,會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵DC 調(diào)節(jié)劑的表達(dá)降低,從而導(dǎo)致DC 發(fā)育的減弱[63-64]。
對(duì)于HPTM,除了乙?;€有其他翻譯后修飾,如甲基化、丙?;?、巴豆酰化、丁?;?-羥基異丁?;萚65-66]。近期研究數(shù)據(jù)表明,組蛋白巴豆酰基化比組蛋白乙?;苯哟碳まD(zhuǎn)錄的程度更強(qiáng)[67],其中,SCFA 對(duì)巴豆?;^(guò)程至關(guān)重要,有把巴豆酰-CoA 與組蛋白賴(lài)氨酸殘基連接起來(lái)的作用[68]。另外,對(duì)小鼠進(jìn)行抗生素治療后,隨著腸道微生物菌群的耗竭,腸腔和血清SCFA 水平降低,導(dǎo)致HDAC2 在腸道中的表達(dá)增加,并導(dǎo)致組蛋白巴豆?;@著下降[69]。SCFA(主要是丁酸)通過(guò)抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞中的HDAC 的去巴豆?;富钚詠?lái)促進(jìn)組蛋白巴豆?;?。通過(guò)分析鼠類(lèi)結(jié)腸、大腦、肝臟、脾臟和腎臟組織中的巴豆酰化水平,發(fā)現(xiàn)在腸道中最高,尤其是小腸和結(jié)腸的隱窩部分,在大腦中次之[52]。在檢測(cè)丁酸濃度后發(fā)現(xiàn),其水平在腸道中最高,但在血清中也不低,這可能解釋了不僅可在腸道,而且還在遠(yuǎn)端組織中(如大腦)觀察到巴豆酰化。
隨著對(duì)SCFA 研究的深入,人們逐漸了解到SCFA對(duì)宿主健康的重要性。SCFA 通過(guò)直接或間接作用影響著宿主腸道健康,因其具有供能、維持腸道穩(wěn)態(tài)、抗炎和調(diào)節(jié)免疫等作用,所以對(duì)抵御腸道疾病有一定的作用。然而,SCFA 的活性機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。對(duì)于機(jī)體而言,目前尚不清楚是SCFA 本身還是和細(xì)菌其他代謝物聯(lián)合產(chǎn)生有益作用,因?yàn)槠渌x產(chǎn)物也可能具有基本的信號(hào)傳導(dǎo)功能,如膽汁酸和氨基酸衍生物等。而對(duì)于不同個(gè)體,相同的SCFA 濃度卻可能導(dǎo)致腸炎癥減輕或加重2 種不同的結(jié)果,這可能是由于環(huán)境或遺傳背景等原因?qū)е碌模虼藢?duì)于SCFA 具體的適宜作用濃度目前還沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于近期發(fā)現(xiàn)的HPTM(如巴豆酰化),目前對(duì)其調(diào)節(jié)和組織特異性功能了解甚少。而SCFA 不僅影響腸道環(huán)境,還能影響遠(yuǎn)端器官。在后續(xù)的研究中需進(jìn)一步了解SCFA 與菌群間的互作、如何調(diào)節(jié)炎癥、是否可以通過(guò)調(diào)整飼糧來(lái)改善和預(yù)防腸道炎癥。