腸道菌群代謝產(chǎn)物與胰島素抵抗相關(guān)衰老疾病的研究進(jìn)展

王中英， 常麗納(綜述)， Xiang Fang(審校)

哺乳動(dòng)物的胃腸道是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，由無(wú)數(shù)與宿主處于穩(wěn)態(tài)的細(xì)菌組成，稱為腸道菌群。人體正常的生理功能會(huì)因衰老而減退，而腸道菌群對(duì)維持正常生理功能尤為重要[1]。腸道菌群通過(guò)自身代謝或通過(guò)對(duì)環(huán)境/宿主分子進(jìn)行腸生物轉(zhuǎn)化，生成大量代謝終產(chǎn)物，稱為代謝組。胰島素抵抗(insulin resistance,IR)是2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)等數(shù)種衰老性疾病的共同特征，它涉及多種信號(hào)分子和信號(hào)通路，呈現(xiàn)出復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。中樞神經(jīng)系統(tǒng)IR與糖尿病之間通過(guò)腸道菌群緊密聯(lián)系在一起，共生失調(diào)可能是其共同的發(fā)病基礎(chǔ)。本文從IR角度，對(duì)腸道菌群代謝產(chǎn)物與T2DM及AD發(fā)病機(jī)制的內(nèi)在聯(lián)系作一綜述。

1 腸道菌群概述

腸道菌群是寄生于腸道內(nèi)的大量微生物，大約有1014，其主要由擬桿菌門(約48%)和厚壁菌門(約51%)兩種細(xì)菌門組成，其余約1%的微生物包括梭桿菌、變形菌、疣微菌、病毒和其他共生微生物[2]。腸道菌群不但可以為宿主提供多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，更重要的是可以通過(guò)基因組和代謝組對(duì)宿主表型發(fā)揮重要影響。腸道菌群的類群和含量受多種因素的影響，如地域、生理狀況、抗生素暴露等。在衰老過(guò)程中，牙齒缺失及咀嚼功能的下降，嗅味覺(jué)的退化，消化功能的衰減，生活方式和飲食結(jié)構(gòu)的改變，都能影響腸道菌群的組成，物種共豐度網(wǎng)絡(luò)隨著年齡增長(zhǎng)而重構(gòu)。盡管不同個(gè)體的腸道微生物群存在差異，功能核心微生物組卻基本相同。有研究指出，腸道微生物變化與生物學(xué)年齡相關(guān)，與實(shí)際年齡無(wú)關(guān)[1]。腸道菌群通過(guò)大量代謝物與宿主相互作用，這種代謝互作的任何干擾都可能是疾病的起始和強(qiáng)化因素。

2 IR相關(guān)衰老疾?。篢2DM和AD

衰老是組織器官和細(xì)胞功能的逐步衰退，它貫穿于生命過(guò)程的各個(gè)階段。與胰島素相關(guān)的生物代謝系統(tǒng)，被認(rèn)為是長(zhǎng)壽和物質(zhì)老化的最關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，而IR被認(rèn)為是全身衰老的總體標(biāo)志[3]。雖然T2DM和AD不總是相伴發(fā)生，二者關(guān)系亦尚無(wú)定論，但二者有部分共同的發(fā)病機(jī)制，如糖代謝受損、胰島素信號(hào)異常、低度慢性炎癥、氧化應(yīng)激、IR[4]。T2DM和AD的病理生理機(jī)制高度重疊，但最具特征的是胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙和淀粉樣變，二者均與IR相關(guān)[5]。

2.1胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙 IR作為糖代謝改變的主要原因，它與細(xì)胞死亡途徑相互依存，形成了連接T2DM和AD的基礎(chǔ)。胰島素與特異性受體結(jié)合，激活跨膜受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase,RTK)和胰島素受體底物(insulin receptor substrates,IRSs)，開啟細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。轉(zhuǎn)導(dǎo)主要有兩條相互交叉調(diào)控的途徑：磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3 kinase/protein kinase B,PI3K/AKT)通路和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)通路。

2.1.1 PI3K/AKT通路 T2DM或AD患者IRSs自磷酸化水平下調(diào)，PI3K/AKT不能充分激活，影響下游激酶的級(jí)聯(lián)激活途徑，下游靶點(diǎn)哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glucose transporter 4,GLUT4)等表達(dá)紊亂。mTOR為營(yíng)養(yǎng)和能量感應(yīng)分子，GLUT4負(fù)責(zé)促進(jìn)葡萄糖攝入并激發(fā)細(xì)胞的能量需求，二者的表達(dá)障礙引起線粒體損傷，影響腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)途徑，降低三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)和糖酵解水平，造成能量代謝障礙。PI3K/AKT的活化抑制，還使糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)這一細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵介質(zhì)增多，早老素異常增加，引起糖原、脂肪酸和蛋白質(zhì)的合成障礙及β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)的聚積，在T2DM及其并發(fā)癥和AD的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用[6-7]。

2.1.2 ERK通路 ERK屬于絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族成員。磷酸化激活的ERK轉(zhuǎn)位到核內(nèi)介導(dǎo)蛋白質(zhì)翻譯起始因子、轉(zhuǎn)錄激活因子、立早基因等的轉(zhuǎn)錄活化，調(diào)控細(xì)胞周期，誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)的產(chǎn)生和維持，促進(jìn)細(xì)胞的存活和增殖，直接參與凋亡的調(diào)控。ERK通過(guò)N-甲基-D-天冬氨酸受體作用，參與細(xì)胞形態(tài)維持、骨架構(gòu)建。胰島素和葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白等因子還可以通過(guò)此通路，抑制缺糖誘導(dǎo)的線粒體凋亡途徑的進(jìn)程[8-9]。T2DM和AD患者均存在ERK通路紊亂，引發(fā)細(xì)胞存活障礙，加速凋亡。

2.2淀粉樣變 淀粉樣蛋白生成是T2DM和AD的共同病理學(xué)特征，具體表現(xiàn)是胰腺胰島淀粉樣多肽(islet amyloid polypeptide,IAPP)和腦內(nèi)Aβ的異常聚集和沉積。IAPP在胰島β細(xì)胞內(nèi)有與胰島素極其相似的合成過(guò)程，二者共存于分泌顆粒中并協(xié)同分泌。人IAPP具有極強(qiáng)的錯(cuò)誤折疊及聚集傾向，錯(cuò)誤折疊的IAPP低聚物在細(xì)胞中積累，作用于脂質(zhì)膜，影響胞吐作用，破壞細(xì)胞膜的屏障功能，引起細(xì)胞損傷，加重糖尿病的病情。在AD患者中可發(fā)現(xiàn)Aβ 1～41、1～42的逐步濃集和IAPP在IR狀態(tài)下的逐步升高[10]。有研究也描述了IAPP在全身其他組織的積累，包括大腦血管和腦實(shí)質(zhì)，還發(fā)現(xiàn)了IAPP和Aβ沉積的共定位。另外，IAPP可通過(guò)植入效應(yīng)促進(jìn)AD的Aβ累積[11-13]。淀粉樣蛋白是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS)時(shí)蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊形成的不溶性的聚集體，ERS被廣泛認(rèn)為是IR發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。蛋白質(zhì)的合成和正確折疊依賴于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的良好功能狀態(tài)，這對(duì)于蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、對(duì)受體的正確識(shí)別和有效結(jié)合以及觸發(fā)跨膜信息傳遞至關(guān)重要。IAPP與胰島素合成過(guò)程相似且協(xié)同分泌，而Aβ與胰島素共同接受胰島素降解酶降解，二者必有相同或相似的結(jié)構(gòu)域，進(jìn)一步解析三者的內(nèi)在聯(lián)系有助于對(duì)IR相關(guān)衰老性疾病深入理解。

3 腸道菌群對(duì)機(jī)體的影響

Smith等[14]移植年輕鳉魚的糞便讓老鳉魚活得更久。Ridaura等[15]將胖瘦不同的雙胞胎的糞便移植到小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)肥胖可通過(guò)菌群轉(zhuǎn)移使小鼠出現(xiàn)肥胖相關(guān)的代謝表型，而接受瘦供體菌群的小鼠，則避免了這種代謝紊亂的發(fā)展，說(shuō)明操縱腸道菌群結(jié)構(gòu)有助于調(diào)節(jié)個(gè)體的能量平衡。有學(xué)者鑒定出霍氏真桿菌、羅斯氏菌和普氏糞桿菌作為人類腸道定植菌和丁酸產(chǎn)菌，可改善T2DM血糖控制和胰島素敏感性，且菌群的組成對(duì)T2DM具有高度的鑒別性[16]。將IR小鼠的腸道菌群移植到無(wú)菌小鼠體內(nèi)后，發(fā)現(xiàn)其同樣發(fā)生了IR，并且腸道微生物群的變化可以改變大腦胰島素信號(hào)和代謝水平，從而導(dǎo)致神經(jīng)行為的改變[17-19]。有研究發(fā)現(xiàn)，恢復(fù)腸道菌群平衡可作為防治自身免疫性血小板減少的一種新的策略，且腸道菌群與化療藥物、免疫治療藥物、靶向藥物的療效相關(guān)性及耐藥逆轉(zhuǎn)相關(guān)[20-21]。

4 腸道菌群代謝產(chǎn)物與IR

IR是指機(jī)體對(duì)胰島素反應(yīng)性下降，導(dǎo)致組織細(xì)胞葡萄糖攝取和利用障礙，為T2DM的核心特征。AD患者大腦葡萄糖代謝過(guò)低，被稱為腦IR[22]。目前的研究表明，IR與宿主腸道菌群的組成變化、細(xì)菌基因表達(dá)和代謝途徑的改變有關(guān)。在此，我們重點(diǎn)介紹腸道菌群代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)、5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)等是如何通過(guò)改變IR來(lái)影響T2DM和AD的發(fā)生發(fā)展的。

4.1SCFAs SCFAs指含有1～6個(gè)碳原子的飽和脂肪酸，主要有乙酸、丙酸和丁酸，是膳食纖維經(jīng)腸道菌群發(fā)酵的主要產(chǎn)物。除了作為能量底物，SCFAs還可以作為信號(hào)分子，調(diào)節(jié)各種組織器官的物質(zhì)能量代謝、神經(jīng)內(nèi)分泌和免疫炎癥反應(yīng)。乙酸乙酯通過(guò)使胰島素受體底物-1(insulin receptor substrate-1,IRS-1)絲氨酸磷酸化表達(dá)減少、酪氨酸磷酸化表達(dá)增加，促使IRS-PI3K-AKT磷酸化激活，正向調(diào)控GLUT4，增加組織的葡萄糖攝取[23]。SCFAs作用于結(jié)腸黏膜的游離脂肪酸受體2，激活G蛋白偶聯(lián)受體41和G蛋白偶聯(lián)受體43，通過(guò)磷酸化ERK和p38 MAPK途徑，上調(diào)胰高糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)的表達(dá)，增強(qiáng)過(guò)氧化物酶體增殖活化受體γ(peroxisome proliferation activated receptor-γ,PPARγ)活性，增加線粒體解偶聯(lián)蛋白2的表達(dá)，提高AMP/ATP比值，從而通過(guò)AMPK刺激肝臟和脂肪組織的氧化代謝，可以作為一種廉價(jià)和選擇性的PPARγ調(diào)節(jié)劑用于治療[24-26]。SCFAs對(duì)維持腸道的屏障功能也有一定的作用，IR患者體內(nèi)SCFAs的產(chǎn)生較少，導(dǎo)致腸道屏障受損，細(xì)菌產(chǎn)生的炎性進(jìn)入血液循環(huán)，導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生慢性炎癥，促進(jìn)IR的發(fā)生[27]。SCFAs還可調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)分子的正確折疊、促進(jìn)質(zhì)膜的運(yùn)動(dòng)和融合，在分泌性和膜性蛋白質(zhì)二級(jí)和高級(jí)結(jié)構(gòu)形成、蛋白質(zhì)的運(yùn)輸和分泌中有重要作用，直接影響胰島素的生物學(xué)功能和Aβ的產(chǎn)生，并抑制淀粉樣蛋白的聚集。丁酸鈉通過(guò)抑制組蛋白去乙?；?，下調(diào)ERS相關(guān)凋亡通路蛋白的表達(dá)，抑制ERS的相關(guān)通路減輕T2DM[28]。

4.2GABA GABA是四碳非蛋白質(zhì)氨基酸，宏基因組DNA測(cè)序顯示，腸道菌群谷氨酸脫羧酶編碼基因豐富，多種菌屬可以產(chǎn)生或代謝GABA，其中擬桿菌屬、副擬桿菌屬和埃希桿菌屬的產(chǎn)生通路表達(dá)活躍。作為重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，GABA以兩性離子及多分子構(gòu)象共存形式發(fā)揮多樣的生理功能，調(diào)節(jié)突觸傳遞、促進(jìn)神經(jīng)發(fā)育；在胰腺作為胰島內(nèi)的自分泌或旁分泌信號(hào)，刺激胰島素釋放和預(yù)防胰腺損傷，抑制胰高血糖素分泌，可改變宿主行為模式并調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)[29-30]。GABA還可通過(guò)影響腸道菌群改善SCFAs的分布[31]。代謝功能障礙小鼠接受GABA或GABA產(chǎn)生菌株L.brevis DPC6108/L.brevis DSM32386干預(yù)后，葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulated insulin secretion,GSIS)增加，葡萄糖漂移率明顯改善[32]。GABA可上調(diào)肝臟糖原合成酶及胰島素誘導(dǎo)基因的表達(dá)，促進(jìn)IR大鼠GLUT4基因表達(dá)，抑制葡萄糖-6-磷酸酶等糖異生酶的表達(dá)，加強(qiáng)肝臟和肌肉對(duì)葡萄糖的攝取和利用，提高胰島素敏感性，緩解IR，已成為治療糖尿病的新型功能因子。有研究表明，GABA引起膜去極化和Ca2+流入，激活PI3K/AKT依賴的生長(zhǎng)和存活通路，并恢復(fù)β細(xì)胞質(zhì)量[33]。GABA優(yōu)先上調(diào)與細(xì)胞增殖相關(guān)的通路，形成具有獨(dú)特轉(zhuǎn)錄特征的細(xì)胞亞群，包括尿皮質(zhì)素3、無(wú)翅整合位點(diǎn)4和肝細(xì)胞黏附分子2，激活A(yù)MPK和AKT通路，增強(qiáng)中樞和外周組織的葡萄糖處理和糖原合成，抑制GSK-3β[34]。GABA通過(guò)抑制大腦皮層中Fas依賴和線粒體依賴的凋亡通路，抑制與神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的糖尿病并發(fā)癥，并可以有效降低血清鞘脂，而鞘脂是IR的標(biāo)志[35]。

4.35-HT 5-HT為吲哚衍生物，約90%生成并儲(chǔ)存于腸道的腸嗜鉻細(xì)胞。腸道產(chǎn)孢類細(xì)菌通過(guò)影響色氨酸羥化酶(tryptophan hydroxylase,TpH)的表達(dá)調(diào)控5-HT生成，雖然機(jī)制尚不完全清楚，但已提出SCFAs刺激TpH1表達(dá)的作用，此外，次生膽汁酸也能促進(jìn)5-HT的生物合成[36-37]。5-HT顯著誘導(dǎo)過(guò)氧化物酶體增殖活化受體共激活因子1的mRNA表達(dá)，并調(diào)節(jié)ERK通路，誘導(dǎo)小鼠骨骼肌線粒體活性增加和能量代謝的升高，緩解代謝紊亂，促進(jìn)胰島細(xì)胞增殖[38]。5-羥色胺2c受體激動(dòng)劑(5-HT2cR)可改善糖耐量受損，同時(shí)降低血胰島素水平，而活化中樞5-HT2cR激發(fā)厭食效應(yīng)，減少Aβ的產(chǎn)生。在妊娠小鼠模型中，5-HT通過(guò)5-HT2b受體和5-HT3受體以旁分泌/自分泌方式促進(jìn)細(xì)胞增殖和GSIS[39]。除此之外，吲哚衍生物還可以抑制淀粉樣蛋白聚集、延遲積累[40]。5-HTR的配體化合物是否能夠成為治療T2DM和AD的潛在藥物，已成為新的研究方向。

5 結(jié)語(yǔ)

腸道菌群代謝產(chǎn)物失調(diào)可引起IR，IR可引起T2DM及AD，而T2DM又是AD的危險(xiǎn)因素。IR與衰老相關(guān)疾病密切相關(guān)，但其始動(dòng)因素存在較多爭(zhēng)議，腸道微環(huán)境呈現(xiàn)了一個(gè)新視角，從而為IR相關(guān)衰老性疾病的防治提供了一個(gè)新靶點(diǎn)。調(diào)整腸道菌群，使其結(jié)構(gòu)及代謝產(chǎn)物處于對(duì)人體生理機(jī)能調(diào)控的最佳狀態(tài)，是防治T2DM、AD等IR相關(guān)衰老性疾病的最有效方法之一。