腸道菌群紊亂與晝夜節(jié)律改變及2型糖尿病的關(guān)系研究進(jìn)展

王聰聰綜述, 游 娜審校

0 引 言

與快節(jié)奏的生活、工作方式的改變相一致，2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的發(fā)生率逐年攀升，甚至被稱為“21世紀(jì)的災(zāi)難”，人們對于T2DM的研究也越來越深入，尤其是對其發(fā)生機(jī)制的探索。研究發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律紊亂的疾病譜和代謝異常的疾病譜近乎重合，于是推測晝夜節(jié)律失衡和T2DM具有高度相關(guān)性。在2017年對致力于生物鐘分子機(jī)制研究的邁克爾·楊(Michael Young)、杰弗里·霍爾(Michaelrey Rosbash)和邁克爾·羅斯巴什(Michael Rosbash)授予諾貝爾獎更是引起了全球?qū)W者對晝夜節(jié)律的廣泛關(guān)注，越來越多的研究都關(guān)注了腸道菌群的重要作用，即腸道菌群可影響機(jī)體的晝夜節(jié)律系統(tǒng)。本文就腸道菌群紊亂與晝夜節(jié)律改變及T2DM的關(guān)系作一綜述。

1 晝夜節(jié)律紊亂與T2DM的相關(guān)性

晝夜節(jié)律是一種為了與周圍環(huán)境周期性變化保持一致的一種內(nèi)部節(jié)律模式[1]。晝夜節(jié)律系統(tǒng)分為中樞和外周兩部分，中樞部分位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)，起到總起搏器的作用，接受光線在眼部的輸入，通過各種可彌散的因子，如皮質(zhì)醇、褪黑素等，來同步外周的晝夜節(jié)律。外周部分則廣泛分布于各個組織中，包括腸、肝等等，接受來自中樞和環(huán)境、行為的多重調(diào)控[2]。哺乳動物的晝夜節(jié)律遵循一個約24h的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)(transcriptional and posttranslational feedback loop，TTFL)，核心成分包括Clock、Bmal1、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2[3]，而TTFL有節(jié)律的調(diào)控機(jī)體內(nèi)包括新陳代謝在內(nèi)的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后階段，將生物鐘和代謝過程關(guān)聯(lián)起來[4]。

隨著工業(yè)化和現(xiàn)代城市的發(fā)展，近些年生活方式也發(fā)生了劇變，越來越多的人群被診斷為T2DM[5],對于T2DM發(fā)生機(jī)制的研究也越來越迫切。近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律的紊亂與T2DM的發(fā)生高度相關(guān)。輪班工作的人群患有T2DM的風(fēng)險較高，對于男性及規(guī)律值夜班人群更是如此[6]，而且每月夜班的頻率和T2DM的發(fā)生率呈正相關(guān)[7]。在T2DM人群中，與不輪班的人群相比，值夜班的人群普遍血糖控制情況更差[8]。在小鼠試驗中，敲除生物鐘基因Bmal1會導(dǎo)致胰島素生理功能的下降，即胰島素抵抗的發(fā)生，從而導(dǎo)致高血糖水平[9]。Clock基因突變可改變胰腺基因的表達(dá)，如果發(fā)生在刺激-分泌耦合的晚期，會導(dǎo)致β細(xì)胞功能缺陷，介導(dǎo)T2DM的發(fā)生[10]。因此，不論是從人群還是實驗均提示晝夜節(jié)律紊亂與T2DM密切聯(lián)系。

2 腸道菌群在調(diào)控T2DM晝夜節(jié)律的重要地位

Stenvers等[11]發(fā)現(xiàn)T2DM人群核心生物鐘基因振幅減低，脂肪組織中的晝夜節(jié)律基因明顯減少，表現(xiàn)為餐后血糖日間節(jié)律的喪失。晝夜節(jié)律紊亂包括飲食、光照、睡眠、精神壓力等等，正如古人所言“民以食為天”，飲食是其中很重要的一環(huán)，而飲食又包括進(jìn)食時間和飲食結(jié)構(gòu)兩個方面。Hutchison等[12]發(fā)現(xiàn)夜間進(jìn)食相比較于白天進(jìn)食，即使在保持在與上一次進(jìn)食時間間隔相同的情況下，在胰島素分泌減少及外周、肝臟胰島素抵抗的共同作用下，將更容易導(dǎo)致高血糖。Richter等[13]發(fā)現(xiàn)進(jìn)食相同卡路里食物，白天的能量消耗為夜間的2～3倍，引起的血糖及胰島素波動也較小，這與Hutchison等[12]的研究是一致的。對肥胖人群進(jìn)行為期1年的飲食控制碳水或脂肪攝入，均出現(xiàn)了厚壁菌門的下降，而此種下降與體重下降的相關(guān)性，在控制碳水?dāng)z入人群中更為顯著[45]。對于通過人為控制進(jìn)食時間，即間斷性禁食對于T2DM的影響頗有爭議，或是改善胰島素抵抗，或是增加小血管并發(fā)癥風(fēng)險，但相關(guān)研究數(shù)量、規(guī)模有限，仍需進(jìn)一步探究[14]。組3先天淋巴樣細(xì)胞(ILC3)廣泛分布于腸道之中，在宿主-微生物相互作用中起著重要的作用，介導(dǎo)著諸多腸道慢性疾病的發(fā)生，ILC3不光有著自身的震蕩節(jié)律，而且被發(fā)現(xiàn)與諸多晝夜節(jié)律相關(guān)基因(BMAL1等)密切相關(guān)[15]。

給敲除了晝夜節(jié)律相關(guān)基因(CRY、PER等)的小鼠進(jìn)行時間限制性喂養(yǎng)(TRF，僅可在夜間時相及活躍時相限制性進(jìn)食10h)可通過激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白1(mTORC1)、綜合應(yīng)激(ISR)等通路改善小鼠的糖不耐受及胰島素抵抗情況，從而減緩T2DM的發(fā)生[16]。不規(guī)律進(jìn)食引起的晝夜節(jié)律的紊亂與T2DM的發(fā)生發(fā)展有著直接的關(guān)系，而飲食被普遍認(rèn)為是調(diào)控腸道菌群的主要途徑之一，提示了腸道菌群在T2DM晝夜節(jié)律的重要性。將晝夜節(jié)律紊亂小鼠與對照組小鼠均給予高脂飲食，相比較于對照組小鼠，晝夜節(jié)律紊亂組小鼠體重升高與糖尿量異常更加明顯，而對兩組進(jìn)行廣譜抗生素處理后此種差異消失，給無菌小鼠抑制晝夜節(jié)律紊亂小鼠腸道菌群出現(xiàn)了同樣的體重增加與糖耐量受損[17]，也印證了腸道菌群在調(diào)控T2DM節(jié)律性的重要作用。

3 T2DM晝夜節(jié)律對腸道菌群的影響

腸道作為重要的外周生物鐘器官，不僅僅接受中樞生物鐘信息的調(diào)控，還擁有自己的震蕩節(jié)律，通過控制腸道蠕動、腸道分泌等影響全身的生理活動。而當(dāng)腸道菌群與生物鐘的相互作用受到破壞時，會導(dǎo)致肥胖、胰島素抵抗等代謝紊亂，從而加速T2DM的發(fā)生[18]。Beli等[19]發(fā)現(xiàn)T2DM模型小鼠艾克曼菌屬(Akkermanisa)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、別樣棒菌屬(Allobaculum)和顫螺菌屬(Oscillospira)晝夜節(jié)律的喪失和普雷沃菌屬(Prevotella)和變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)的振蕩相位偏移。在三個獨立的大規(guī)模種群(KORA，enable和FoCus)的大型研究中，Reitmeier等[20]發(fā)現(xiàn)T2DM人群中艾克曼菌屬(Akkermanisa)、擬桿菌(bacteroidetes)雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、糞球菌屬(Coprococcus)、普雷沃氏菌屬(Prevotella)、羅氏菌屬(Roseburia)、瘤胃球菌(Ruminococcus)等多種菌屬皆不同程度上喪失節(jié)律性。Guo 等[21]發(fā)現(xiàn)通過持續(xù)黑暗刺激誘導(dǎo)宿主晝夜節(jié)律紊亂導(dǎo)致的腸道菌群紊亂與高脂飲食誘導(dǎo)T2DM的腸道菌群紊亂相一致。以上皆表明T2DM晝夜節(jié)律對腸道菌群的組成和自身震蕩均發(fā)揮了作用。

4 腸道菌群對T2DM晝夜節(jié)律的作用

二甲雙胍作為治療T2DM的常見藥物，被證實通過上調(diào)黏蛋白-艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)以及產(chǎn)黏蛋白的杯狀細(xì)胞而發(fā)揮降糖作用[22]，而且可通過AMPK的激活而正向激活晝夜節(jié)律時鐘環(huán)[23]。給無特定病原菌小鼠提供高脂飲食誘導(dǎo)T2DM的發(fā)生過程中會上調(diào)夜間時相下丘腦BMAL1和肝臟PER2基因的表達(dá)，而無菌小鼠使用高脂飲食是則未發(fā)生此類改變，證實了腸道菌群會影響晝夜節(jié)律基因的表達(dá)。西方的高脂飲食會引起肝臟晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的破壞[24]，生酮飲食會顯著改變肝臟生物鐘控制基因振幅以及BMAL1染色質(zhì)的招募[25]，不同的飲食結(jié)構(gòu)皆是通過腸道菌群來發(fā)揮作用的，不同的飲食結(jié)果對T2DM的發(fā)生發(fā)展也至關(guān)重要。

5 腸道菌群影響T2DM生物鐘的可能作用機(jī)制

5.1 腸道菌群的代謝物短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFAs)是腸道菌群在結(jié)腸中對難消化碳水化合物發(fā)酵的產(chǎn)物，主要包括丁鹽酸、丙鹽酸和乙酸鹽[26]。在小鼠中，通過口服補充短鏈脂肪酸和乳酸鹽可暫時改變生物鐘基因PER2的節(jié)律[27]。SCFAs通過作用于其特異性受體(deorphaned G protein-coupled receptor 43，GPR43)抑制脂肪細(xì)胞的胰島素信號，從而抑制脂肪細(xì)胞中脂肪的積累，加速其他組織未結(jié)合脂質(zhì)和糖的代謝分解，最終可增加胰島素的敏感性[28]。還可作用于免疫細(xì)胞的招募，控制中性粒細(xì)胞的趨化作用及T調(diào)節(jié)細(xì)胞的增值，介導(dǎo)腸道炎癥反應(yīng)[29]。研究表明SCFAs，尤其是丁酸鹽、丙酸鹽可使過氧化物酶體增殖體激活受體(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs)磷酸化，從而激活PPARs的轉(zhuǎn)錄活性，而PPARs作為一類核受體，對機(jī)體新陳代謝起重要作用[30]。丁鹽酸能夠抑制NAD+依賴性的組蛋白去乙酰化酶，如sirtuin-1(SIRT1)[31]，SIRT1可促進(jìn)BMAL1與CLOCK蛋白聯(lián)結(jié)的二聚體的乙?；瘡亩绊憰円构?jié)律[32]。SIRT1通過脂肪和葡萄糖代謝途徑，通過促進(jìn)肝糖原生成和脂肪酸氧化，對胰島素敏感性產(chǎn)生影響，在維持晝夜節(jié)律和能量穩(wěn)態(tài)方面起著關(guān)鍵作用[33]。

腸道菌群將初級膽汁酸生物轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸，不僅參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[44]，在體外模型試驗中被證實可影響生物鐘：當(dāng)小鼠口服膽汁酸后，在其回腸、結(jié)腸和肝臟中會發(fā)現(xiàn)生物鐘基因的上調(diào)及其表達(dá)的改變[34]。而肝細(xì)胞中的膽汁酸被發(fā)現(xiàn)可時間依賴性的干擾共轉(zhuǎn)錄激活劑p300對PPARα的招募，抑制PPARα的表達(dá)[35]，從而影響機(jī)體的新陳代謝。在腸道菌群中有許多對膽汁酸敏感的革蘭陰性菌通過其脂多糖內(nèi)毒素介導(dǎo)腸道慢性炎癥[36]，在T2DM模型的小鼠中也發(fā)現(xiàn)了循環(huán)系統(tǒng)中高濃度的膽汁酸[37]。

腸道菌群可利用特異性酶參與結(jié)腸部位的硫酸化合物循環(huán)，導(dǎo)致硫化氫(H2S)的產(chǎn)生增加[38]。H2S已被證實會引起生物鐘基因BMAL1的表達(dá)發(fā)生階段性延遲，在高脂飲食的小鼠中，與丁鹽酸的減少同步，H2S的產(chǎn)生明顯增加，同時底物氧化受到抑制，小鼠的整體血糖水平也是上升的[24]。

5.2激素下丘腦室旁核直接受中樞生物鐘(視交叉上核SCN)的控制分泌促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素，刺激垂體前葉分泌促腎上腺皮質(zhì)激素，構(gòu)成了下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA)軸，HPA軸在晝夜節(jié)律的影響下震蕩，糖皮質(zhì)激素則為此系統(tǒng)的負(fù)反饋信使，腸道菌群可通過反饋機(jī)制影響糖皮質(zhì)激素的水平，而糖皮質(zhì)激素可影響糖脂代謝，破壞SCN以及外周的晝夜節(jié)律性[39]。

褪黑素是一種來源于血清素的生物胺，在大腦中合成后，與調(diào)節(jié)睡眠/覺醒功能有關(guān)。褪黑素分泌到胃腸腔內(nèi)，并表達(dá)出晝夜模式的群落和運動性，腸道源性褪黑素被認(rèn)為在調(diào)節(jié)胰島素敏感性和線粒體氧化中起作用[40-41]。

5.3作用于腸上皮細(xì)胞NFIL3為一種轉(zhuǎn)錄因子，被人們廣泛認(rèn)為表達(dá)與免疫細(xì)胞之中，調(diào)控機(jī)體的免疫功能，但有研究發(fā)現(xiàn)，腸上皮細(xì)胞也表達(dá)NFIL3，無菌小鼠腸上皮的NFIL3表達(dá)量下降。NFIL3具有晝夜震蕩，可控制晝夜脂質(zhì)代謝程序，調(diào)控脂質(zhì)的輸入和輸出，從而影響機(jī)體的代謝功能[42]，因此可推測腸道菌群可通過NFIL3影響T2DM的晝夜節(jié)律。

小鼠腸道菌群可以促進(jìn)腸道上皮組織蛋白去乙酰化酶3(histone deacetylase3,HDAC3)的晝夜震蕩，而HDAC3又會有節(jié)律的調(diào)節(jié)組蛋白乙酰化，從而影響代謝基因的表達(dá)以及營養(yǎng)物的攝取[43],因此HDAC3將腸道菌群與T2DM、晝夜節(jié)律聯(lián)系了起來。

6 結(jié) 語

目前T2DM與晝夜節(jié)律的具體作用機(jī)制尚未完全清晰，但是腸道菌群在其中發(fā)揮著不可替代的作用。目前，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群對于包括傳染性疾病、代謝性疾病等都發(fā)揮著重要的作用[44-45]，結(jié)合之前的研究，本文從三個方面討論了腸道菌群對T2DM晝夜節(jié)律調(diào)控作用的可能機(jī)制，隨著其他機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，我們可從不同角度認(rèn)識T2DM的發(fā)生發(fā)展過程，并且為降糖藥物的研發(fā)提供新思路。