腸道疾病與生物鐘節(jié)律紊亂關(guān)系研究進展

左曉彤 吳巧鳳，2，3

成都中醫(yī)藥大學(xué)1針灸推拿學(xué)院，2針灸與內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)研究所，3針灸與時間生物學(xué)四川省重點實驗室（成都 610075）

生物體通過感知環(huán)境中的溫度、光和食物等周期信號，與外界環(huán)境保持周期同步，從而產(chǎn)生以24 h 為周期的節(jié)律性變化，這種現(xiàn)象為生物節(jié)律（biological clock），又稱生物鐘［1］。生物節(jié)律通過調(diào)控機體生長、衰老、能量代謝以及情緒來調(diào)節(jié)機體器官活動以及休息的周期，這些過程不僅受晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)，反過來也能影響晝夜節(jié)律。大約有10%～20%的哺乳動物基因處于晝夜節(jié)律控制之下，哺乳動物生物鐘由中樞生物鐘和外周生物鐘兩部分組成。中樞生物鐘位于下丘腦的視交叉上核神經(jīng)元（hypothalamus suprachiasmatic nucleus，SCN）中，作為晝夜節(jié)律的起搏點調(diào)節(jié)包括睡眠、覺醒、溫度、自主神經(jīng)系統(tǒng)張力、攝食周期、情緒和運動等多種生理過程［2］。外周生物鐘分布在全身大多數(shù)細胞和肝臟、胃腸道、平滑肌、骨骼肌、脂肪組織中，發(fā)揮調(diào)節(jié)局部組織細胞等適應(yīng)器的節(jié)律活動以及組織特異性基因表達的作用。生物節(jié)律主要依靠生物鐘基因調(diào)控，目前發(fā)現(xiàn)的主要生物鐘基因有PER1、PER2、PER3、CRY1、CRY2、CLOCK、BMAL1、CK1ε、TIM、NPAS2 和RORα 等［1］，其中核心轉(zhuǎn)錄因子為BMAL1、CLOCK、CRY1、CRY2、PER1、PER2、PER3以及微調(diào)內(nèi)核時鐘的其他組件，包括REV-ERB和SIRT［3］。

腸道的消化吸收、運動、腸黏膜穩(wěn)態(tài)等功能與生物鐘節(jié)律密切相關(guān)，腸道生物鐘保持正常節(jié)律是腸道發(fā)揮正常功能的必要條件之一，腸道疾病患者多見失眠等節(jié)律紊亂癥狀，而節(jié)律周期紊亂的患者也往往伴有腸道功能失常，提示兩者相互關(guān)聯(lián)，本文將就此作總結(jié)和綜述。

1 生物鐘節(jié)律紊亂是多種腸道疾病的共性特征

許多腸道疾病存在生物鐘節(jié)律紊亂現(xiàn)象，如腸易激綜合征（irritable bowel syndrome，IBS）、炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）、克羅恩?。–rohn's disease，CD）、潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）及腸道腫瘤等，并且生物鐘節(jié)律紊亂會加重疾病的嚴重程度或伴隨癥狀。輪班工作會增加胃腸道問題的風(fēng)險，尤其是消化不良和消化性潰瘍［4］。MOSNA 等［5］對比了CD 患者、UC 患者以及無IBD 患病史的結(jié)直腸癌患者腸黏膜上皮細胞中8 種晝夜節(jié)律蛋白（BMAL1、BMAL2、PER1、PER2、PER3、CLOCK、NPAS2 和TIMENTER）的表達，發(fā)現(xiàn)IBD 患者黏膜上皮中5 種晝夜節(jié)律蛋白（BMAL1、PER1、PER3、TIMLESS和NPAS2）的表達降低，且IBD患者黏膜內(nèi)炎性細胞BMAL1表達降低。

動物研究進一步證實生物鐘節(jié)律紊亂會加劇腸道疾病的發(fā)展，患有生物鐘紊亂的小鼠更易患結(jié)腸炎［6］，導(dǎo)致結(jié)腸中的線粒體能量代謝降低并加劇結(jié)腸炎小鼠的炎癥反應(yīng)［7］。

生物鐘節(jié)律與腫瘤的發(fā)生有密切聯(lián)系，尤其是長期輪班工作以及夜間暴露于光照環(huán)境的工人，夜間暴露于藍光光譜環(huán)境與結(jié)直腸癌發(fā)病率呈正相關(guān)［8-9］。

2 生物鐘節(jié)律紊亂參與腸道疾病的機制

2.1 腸道動力結(jié)腸的運動存在晝夜節(jié)律［10］。HOOGERWERF 等［11］發(fā)現(xiàn)野生型小鼠的排便及結(jié)腸環(huán)行肌收縮力具有節(jié)律性，而Per1、Per2 基因敲除小鼠這種節(jié)律性消失。胃腸道的主要抑制性神經(jīng)遞質(zhì)神經(jīng)元型一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide synthase，nNOS）的表達受生物鐘控制，敲除nNOS 基因后結(jié)腸環(huán)形肌收縮力和排便節(jié)律性減弱［12］。晝夜節(jié)律的紊亂很可能會對胃腸動力產(chǎn)生負面影響，從而誘導(dǎo)或加重以運動障礙為特征的腸道疾病，如功能性消化不良、腸易激綜合征等。

2.2 腸黏膜屏障腸道屏障能保護宿主免受腸腔中存在的有害物質(zhì)和微生物的侵害，維持腸道屏障對人類健康至關(guān)重要。腸黏膜機械屏障由黏膜上皮細胞和細胞間連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成［13］，晝夜節(jié)律紊亂易導(dǎo)致腸道上皮屏障的破壞，從而使促炎細菌產(chǎn)物（如內(nèi)毒素）跨過腸壁進入體循環(huán)，造成疾病。腸黏膜上封閉蛋白（Occludin）、封閉小帶（Zonula occludens，Zo）、緊密連接蛋白（Claudins）、連接黏附分子（junctional adhesion molecules，JAM）等緊密結(jié)合蛋白組成的多種蛋白質(zhì)復(fù)合物也存在晝夜節(jié)律。節(jié)律紊亂導(dǎo)致大鼠結(jié)腸緊密連接Occludin、Claudin1、Claudin3 和Zo-1 表達降低，損傷腸道上皮緊密連接完整性，使腸道通透性增加從而易患腸道炎癥疾?。?3］。

KYOKO 等［14］發(fā)現(xiàn)野生型小鼠體內(nèi)Occludin 和Claudin-1 的mRNA 表達呈節(jié)律性變化，Claudin-2、-3、-4、-7、Zo-1 和Jam-A 水平無節(jié)律性變化。結(jié)腸中PER1、PER2、CRY1 和BMAL1 的mRNA 水平也呈節(jié)律性變化，但與Occludin 和Claudin-1 的變化趨勢相反（表1）。野生型小鼠腸上皮細胞（intestinal epithelial cells，IECs）中Occludin 和Claudin-1 的蛋白表達與mRNA 有節(jié)律性，但mPer2m/m 小鼠體內(nèi)以及IECs 中無論基因水平還是蛋白表達均無節(jié)律性。人結(jié)腸上皮細胞中的Clock 和Bmal1能與Occludin 和Claudin-1 基因啟動子區(qū)域的Ebox 元件結(jié)合，從而調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的轉(zhuǎn)錄。Clock-Bmal1 異源二聚體可能通過調(diào)節(jié)Occludin 和Claudin-1 的表達水平以影響緊密連接蛋白的功能，從而調(diào)節(jié)結(jié)腸通透性，且CLOCK 在生物鐘的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)路中起積極的作用，而PER2 則起消極的作用。

表1 小鼠體內(nèi)不同基因與節(jié)律的關(guān)系Tab.1 The relationship between different genes and rhythms in mice

2.3 腸道菌群腸道微生物群是指棲息在胃腸道中的微生物，細菌占腸道微生物群的98%。腸道菌群參與宿主營養(yǎng)吸收、能量代謝和免疫反應(yīng)等生理過程，腸道菌群的構(gòu)成、功能以及定植位置均存在晝夜節(jié)律，主要受宿主生物鐘以及攝食行為的影響，宿主生物鐘與腸道菌群晝夜節(jié)律間存在動態(tài)相互作用。

2.3.1 腸道菌群本身具有晝夜節(jié)律腸道菌群的豐度、構(gòu)成及功能會受晝夜環(huán)境更替的影響，表現(xiàn)出節(jié)律性以及侵入和定植腸道的能力［15］。THAISS等［16］發(fā)現(xiàn)超過15%的小鼠腸道細菌數(shù)量有周期性波動，以乳桿菌目和脫鹽桿菌目為主，并且白天休息時期，乳桿菌菌群豐度高，主要涉及解毒、運動和環(huán)境感知功能。而夜間活動期，厚壁菌和擬桿菌菌群豐度高，主要參與能量代謝、DNA 修復(fù)和細胞生長。

腸道菌群在腸道的定植位置位置以及深度都呈節(jié)律性變化，相比白天，腸道黏膜上皮細胞和腸道菌群的空間位置在夜間更為接近，定植位置的移動會影響腸道菌群與宿主間的互作進而影響宿主的生物鐘節(jié)律［17］。

2.3.2 腸道菌群與宿主生物鐘之間存在動態(tài)相互作用宿主生物鐘能影響腸道菌群豐度與功能，與節(jié)律正常大鼠相比，晝夜節(jié)律紊亂大鼠腸道擬桿菌門豐度增加，厚壁菌門和放線菌門豐度減少［13］。MORTAS 等［18］研究發(fā)現(xiàn)與白天工作相比，夜間工作時人群腸道菌群擬桿菌門的相對豐度降低，放線菌和厚壁菌門的相對豐度增加。腸道菌群的節(jié)律性也可反作用于宿主生物鐘，影響其正常功能，腸道菌群的節(jié)律粘附會影響腸道中的晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄組，還能編程外周生物鐘中的節(jié)律轉(zhuǎn)錄［17］。

生物鐘與機體代謝關(guān)系密切，能參與機體各系統(tǒng)的代謝過程，主要通過神經(jīng)與體液途徑調(diào)控機體的睡眠-覺醒以及進食行為，從而使機體的能量需求和營養(yǎng)供給呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律性［19-20］。腸道菌群參與碳水化合物、氨基酸及脂質(zhì)代謝過程，主要通過短鏈脂肪酸代謝通路、氧化三甲胺代謝通路及脂多糖代謝通路調(diào)節(jié)宿主代謝功能，并且能通過代謝物如丁酸鹽、膽汁酸等間接調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律［21-22］。宿主生物鐘易受環(huán)境因素的影響，若生物鐘紊亂會增加肥胖和代謝障礙相關(guān)疾病的風(fēng)險，肥胖與代謝障礙相關(guān)疾病的發(fā)作主要與腸道菌群的改變相關(guān)，包括厚壁菌門與擬桿菌門的比例增加，變形桿菌的相對豐度增加［23］。腸道菌群的變化能夠誘導(dǎo)或減輕代謝障礙相關(guān)疾病，從而影響宿主代謝。宿主的生活方式以及攝食習(xí)慣也會影響腸道菌群。錯誤時間進食會改變小鼠的結(jié)腸節(jié)律相位，降低產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細菌和丁酸鹽的水平，促進結(jié)直腸癌的發(fā)展［24］。高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠更易出現(xiàn)腸道菌群的失衡和腸道功能的障礙，導(dǎo)致腸道疾病癥狀加重以及代謝性疾病的發(fā)展［25］。

腸道的免疫功能與腸道菌群密切相關(guān)。腸道菌群中有多種益生菌，如乳桿菌類、雙歧桿菌類等，通過調(diào)節(jié)樹突狀細胞（DCs）、單核細胞、巨噬細胞以及T 和B 淋巴細胞起到維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)及宿主免疫系統(tǒng)活性的作用［26］。宿主生物鐘可以通過調(diào)控腸道菌群從而間接參與機體的免疫調(diào)節(jié)，通過控制攝食節(jié)奏以驅(qū)動節(jié)段性絲狀細菌（segmented filamentous bacteria，SFB）在腸道上皮的附著使先天免疫效應(yīng)器上皮抗微生物蛋白表達產(chǎn)生晝夜節(jié)律，導(dǎo)致小鼠對鼠傷寒沙門氏菌感染的抵抗力出現(xiàn)晝夜節(jié)律變化［27］。

3 總結(jié)及展望

本文闡述了生物鐘紊亂與腸道疾病間的關(guān)系及生物鐘紊亂導(dǎo)致腸道疾病的機制。腸道菌群與宿主生物鐘之間的互作能夠維持機體腸道穩(wěn)態(tài)，作為治療疾病的靶點［28］，可利用腸道菌群的特征找到對不同機體、不同疾病的最佳給藥時間、方式以提高藥物利用度和療效，減少毒副作用［29］。以晝夜節(jié)律為導(dǎo)向的治療措施或許能夠改善腸道菌群狀態(tài)，從而預(yù)防或減輕腸道疾病的發(fā)生與癥狀［30］。

目前生物鐘基因的研究主要集中在核心轉(zhuǎn)錄因子上，其他轉(zhuǎn)錄因子是否會影響腸道節(jié)律還有待繼續(xù)深入研究。結(jié)合目前治療腸道疾病的方法，未來治療腸道疾病可將腸道菌群與晝夜節(jié)律相結(jié)合，采取益生菌+限時進食+規(guī)定作息的方式，利用腸道菌群與宿主生物鐘的互作關(guān)系達到療效最大化。