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世紀的災難”，人們對于T2DM的研究也越來越深入，尤其是對其發(fā)生機制的探索。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具有高度相關性。在2017年對致力于生物鐘分子機制研究的邁克爾·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學者對晝夜節(jié)律的廣泛關注，越來越多的研究都關注了腸道菌群的重要作用，即腸道菌群可影響機體的晝夜節(jié)律系統(tǒng)。本文就腸道菌群紊亂與晝夜節(jié)律改變及T2DM的關系作一綜述。

1 晝夜節(jié)律紊亂與T2DM的相關性

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、行為的多重調控[2]。哺乳動物的晝夜節(jié)律遵循一個約24h的轉錄-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)律的調控機體內包括新陳代謝在內的轉錄和轉錄后階段，將生物鐘和代謝過程關聯(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。輪班工作的人群患有T2DM的風險較高，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[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會導致胰島素生理功能的下降，即胰島素抵抗的發(fā)生，從而導致高血糖水平[9]。Clock基因突變可改變胰腺基因的表達，如果發(fā)生在刺激-分泌耦合的晚期，會導致β細胞功能缺陷，介導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)，而飲食又包括進食時間和飲食結構兩個方面。Hutchison等[12]發(fā)現(xiàn)夜間進食相比較于白天進食，即使在保持在與上一次進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，將更容易導致高血糖。Richter等[13]發(fā)現(xiàn)進食相同卡路里食物，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性，在控制碳水攝入人群中更為顯著[45]。對于通過人為控制進食時間，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)癥風險，但相關研究數(shù)量、規(guī)模有限，仍需進一步探究[14]。組3先天淋巴樣細胞(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)律相關基因(BMAL1等)密切相關[15]。

給敲除了晝夜節(jié)律相關基因(CRY、PER等)的小鼠進行時間限制性喂養(yǎng)(TRF，僅可在夜間時相及活躍時相限制性進食10h)可通過激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白1(mTORC1)、綜合應激(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)展有著直接的關系，而飲食被普遍認為是調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。而當腸道菌群與生物鐘的相互作用受到破壞時，會導致肥胖、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)黑暗刺激誘導宿主晝夜節(jié)律紊亂導致的腸道菌群紊亂與高脂飲食誘導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，被證實通過上調黏蛋白-艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)以及產(chǎn)黏蛋白的杯狀細胞而發(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T2DM的發(fā)生過程中會上調夜間時相下丘腦BMAL1和肝臟PER2基因的表達，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。西方的高脂飲食會引起肝臟晝夜節(jié)律調節(jié)網(wǎng)絡的破壞[24]，生酮飲食會顯著改變肝臟生物鐘控制基因振幅以及BMAL1染色質的招募[25]，不同的飲食結構皆是通過腸道菌群來發(fā)揮作用的，不同的飲食結果對T2DM的發(fā)生發(fā)展也至關重要。

5 腸道菌群影響T2DM生物鐘的可能作用機制

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)抑制脂肪細胞的胰島素信號，從而抑制脂肪細胞中脂肪的積累，加速其他組織未結合脂質和糖的代謝分解，最終可增加胰島素的敏感性[28]。還可作用于免疫細胞的招募，控制中性粒細胞的趨化作用及T調節(jié)細胞的增值，介導腸道炎癥反應[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的轉錄活性，而PPARs作為一類核受體，對機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?；?，如sirtuin-1(SIRT1)[31]，SIRT1可促進BMAL1與CLOCK蛋白聯(lián)結的二聚體的乙?；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)方面起著關鍵作用[33]。

腸道菌群將初級膽汁酸生物轉化為次級膽汁酸，不僅參與信號轉導過程[44]，在體外模型試驗中被證實可影響生物鐘：當小鼠口服膽汁酸后，在其回腸、結腸和肝臟中會發(fā)現(xiàn)生物鐘基因的上調及其表達的改變[34]。而肝細胞中的膽汁酸被發(fā)現(xiàn)可時間依賴性的干擾共轉錄激活劑p300對PPARα的招募，抑制PPARα的表達[35]，從而影響機體的新陳代謝。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毒素介導腸道慢性炎癥[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腸部位的硫酸化合物循環(huán)，導致硫化氫(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激素釋放激素，刺激垂體前葉分泌促腎上腺皮質激素，構成了下丘腦-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，糖皮質激素則為此系統(tǒng)的負反饋信使，腸道菌群可通過反饋機制影響糖皮質激素的水平，而糖皮質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，與調節(jié)睡眠/覺醒功能有關。褪黑素分泌到胃腸腔內，并表達出晝夜模式的群落和運動性，腸道源性褪黑素被認為在調節(jié)胰島素敏感性和線粒體氧化中起作用[40-41]。

5.3作用于腸上皮細胞NFIL3為一種轉錄因子，被人們廣泛認為表達與免疫細胞之中，調控機體的免疫功能，但有研究發(fā)現(xiàn)，腸上皮細胞也表達NFIL3，無菌小鼠腸上皮的NFIL3表達量下降。NFIL3具有晝夜震蕩，可控制晝夜脂質代謝程序，調控脂質的輸入和輸出，從而影響機體的代謝功能[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腸道上皮組織蛋白去乙?；?(histone deacetylase3,HDAC3)的晝夜震蕩，而HDAC3又會有節(jié)律的調節(jié)組蛋白乙酰化，從而影響代謝基因的表達以及營養(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 語

目前T2DM與晝夜節(jié)律的具體作用機制尚未完全清晰，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)律調控作用的可能機制，隨著其他機制的發(fā)現(xiàn)，我們可從不同角度認識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。