徐嘉琦,林以寧

(中國(guó)藥科大學(xué)中藥學(xué)院,江蘇 南京 211198)

肥胖癥與2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、高血壓、高脂血癥等諸多代謝性綜合征相關(guān),表現(xiàn)為脂肪組織過(guò)度積累。長(zhǎng)期的能量攝入超過(guò)能量消耗被認(rèn)為是引起肥胖的主要原因。多余的能量以甘油三酯的形式儲(chǔ)存在脂肪組織中。當(dāng)脂肪組織的儲(chǔ)存能力不足時(shí),向外周釋放過(guò)量的游離脂肪酸,活性氧和促炎細(xì)胞因子,非脂肪組織(如肝臟、骨骼肌和胰腺)攝取游離脂肪酸,最終導(dǎo)致異位脂肪沉積。

腸道菌群由數(shù)萬(wàn)億個(gè)細(xì)菌組成,在人體代謝過(guò)程中起著重要作用。近年來(lái),隨著微生物培養(yǎng)技術(shù)、糞菌移植技術(shù)、16s RNA基因測(cè)序技術(shù)以及組學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,腸道菌群與人體生理功能的相關(guān)研究越來(lái)越深入。研究表明,腸道菌群參與宿主脂質(zhì)吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)、脂質(zhì)合成與氧化、白色脂肪棕色化等過(guò)程。本文總結(jié)了腸道菌群參與調(diào)控肥胖癥脂質(zhì)代謝的潛在機(jī)制,旨在為未來(lái)開發(fā)新的預(yù)防或治療策略提供參考。

1 腸道菌群的組成

健康人腸道菌群由1 000多個(gè)種型組成,分為6個(gè)細(xì)菌門:厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、梭桿菌門、放線菌門和疣微菌門。厚壁菌門和擬桿菌門在健康成年人腸道中所占比例最高(90%)[1]。目前普遍認(rèn)為,肥胖和肥胖相關(guān)的生理指標(biāo)與厚壁菌門和擬桿菌門的比例有關(guān)[2]。相較于瘦人群,肥胖人群的腸道微生物群中擬桿菌門的豐度增加,而厚壁菌門的豐度減少。

腸道微生物群的組成可以影響人體攝取營(yíng)養(yǎng)和調(diào)節(jié)能量代謝。高脂飲食的攝入促進(jìn)腸道微生物群向厚壁菌門優(yōu)勢(shì)的方向的轉(zhuǎn)變,增加了從飲食中獲取的能量,從而導(dǎo)致體重增加和肥胖。相反,低脂肪和低糖的飲食通過(guò)增加脂肪細(xì)胞因子的表達(dá),隨后的能量消耗增加和脂肪儲(chǔ)存減少,增加了擬桿菌門的優(yōu)勢(shì),從而促進(jìn)體重減輕。腸道微生物群對(duì)宿主能量攝取的影響,可能與厚壁菌門相關(guān)的致肥胖功能,擬桿菌門的抗肥胖功能相關(guān)。隨著從飲食中獲取的能量增加,厚壁菌門豐度增加20%,并且擬桿菌門豐度成比例減少[3]。

2 肥胖癥中的關(guān)鍵腸道微生物

腸道菌群種類繁多,某些特定的腸菌可以促進(jìn)肥胖的發(fā)生發(fā)展,如厚壁菌門、腸桿菌屬和梭菌屬等。另一些腸菌乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、擬桿菌屬等被證明可以抑制肥胖的發(fā)展,其機(jī)制主要涉及調(diào)節(jié)能量代謝、減少胰島素抵抗和促進(jìn)白色脂肪的褐變等多種途徑[4]。

目前,已有研究多聚焦于科/屬水平上腸菌對(duì)肥胖脂肪組織及腸道生態(tài)的調(diào)節(jié)作用。最新的研究集中于闡明種水平上腸菌在肥胖的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程中調(diào)控脂質(zhì)代謝的作用機(jī)制,如嗜酸乳桿菌、多形擬桿菌等。

2.1 嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus) 嗜酸乳桿菌能夠降低用高脂肪飲食(high fat diet,HFD)喂養(yǎng)的小鼠的體重、脂肪量、以及改善能量、葡萄糖和脂質(zhì)代謝[5]。嗜酸乳桿菌通過(guò)降低厚壁菌門與擬桿菌門的比率,從而逆轉(zhuǎn)HFD誘導(dǎo)的腸道生態(tài)失調(diào),維持腸道屏障的完整性[6]。口服嗜酸乳桿菌上調(diào)白色脂肪組織(white adipose tissue,WAT)中脂肪酸β氧化限速酶肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶-1(carnitine palmitoyltransferase 1,CPT-1)、脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL)和CCATT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α(CCAAT-enhancer binding proteinα,C/EBPα)的基因表達(dá), 并且下調(diào)脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FAS)表達(dá)[6],表明嗜酸乳桿菌通過(guò)調(diào)節(jié)能量代謝、脂肪分解以及脂質(zhì)合成相關(guān)基因的表達(dá),來(lái)減少脂肪積累。

2.2 路氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri) 高脂飲食飼養(yǎng)下,口服路氏乳桿菌增加了小鼠WAT的耗氧量,其機(jī)制可能與WAT棕色化相關(guān)基因mRNA水平的上調(diào)有關(guān),包括PR結(jié)構(gòu)域蛋白16(PRD1-BF1-RIZ1 homologous domain containing 16,PRDM16)等[7]。路氏乳桿菌能夠調(diào)節(jié)膽汁酸(bile acids,BAs)譜從而影響脂質(zhì)的積累?？诜肥先闂U菌抑制了回腸法尼醇受體(Farnesoid X receptor,FXR)/成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子15(fibroblast growth factor 15,FGF15)信號(hào)通路,但激活了肝臟FXR/小異二聚體伴侶(small heterodimer partner,SHP)信號(hào)通路,導(dǎo)致肝臟甘油三酯積累減少,該調(diào)節(jié)作用與熊去氧膽酸(ursodeoxycholic acid,UDCA)和石膽酸(lithocholic acid,LCA)密切相關(guān)[8]。

2.3 多形擬桿菌(Bacteroidesthetaiotaomicron) 多形擬桿菌是人類腸道中擬桿菌門的主要物種。灌胃多形擬桿菌能夠抑制小鼠WAT中的脂肪生成,并促進(jìn)脂肪分解和氧化,抑制體重增加和肥胖。然而,口服多形擬桿菌造成無(wú)菌小鼠脂肪量增加,可能與腸和肝中人類白細(xì)胞分化抗原36(cluster of differentiation 36,CD36),脂肪酸結(jié)合蛋白2(fatty acid-binding protein 2,FABP2)等脂肪酸攝取相關(guān)蛋白表達(dá)的上調(diào)相關(guān)。上述結(jié)果表明多形擬桿菌可能需要特定的腸道微環(huán)境來(lái)發(fā)揮其抗肥胖作用[9]。

2.4 其他菌種普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzi)、嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansiamuciniphila)等腸菌與肥胖發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。嗜黏蛋白阿克曼菌是一種在健康人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的腸道厭氧共生菌,主要通過(guò)降解黏蛋白產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFAs),維持腸道環(huán)境穩(wěn)態(tài)。在小鼠和人類身上,嗜黏蛋白阿克曼菌的豐度在肥胖和相關(guān)代謝疾病中顯著降低,與體重、脂肪量呈負(fù)相關(guān)[10]。梭菌屬的Ⅳ菌簇被認(rèn)為是腸道病理發(fā)展的生物標(biāo)志物。普拉梭菌是該菌簇的代表菌種之一,與機(jī)體攝入能量過(guò)度而導(dǎo)致肥胖密切相關(guān)[11]。肥胖小鼠中,腸道中普拉梭菌豐度的降低與內(nèi)臟脂肪的增加顯著相關(guān)[12]。

3 腸道微生物調(diào)控宿主脂質(zhì)代謝

3.1 脂質(zhì)吸收相較于正常小鼠,無(wú)菌小鼠具有更高的糞便脂質(zhì)含量和排泄量,并且門靜脈甘油三酯水平降低,表明腸道菌群參與宿主腸道中脂質(zhì)吸收過(guò)程。研究表明,以鼠李糖乳桿菌(LactobacillusrhamnosusGG)、雙酶梭菌(Clostridiumbifermentans)為代表的腸道菌群間接參與消化道中的脂質(zhì)吸收[13],該過(guò)程由微生物-宿主相互作用產(chǎn)生的生物活性物質(zhì)介導(dǎo)[13]。例如,雙酶梭菌產(chǎn)生的可溶性生物活性分子能夠提高二?；视王；D(zhuǎn)移酶2(diacylgycerol acyltransferase 2,DGAT2)的表達(dá)[13],從而促進(jìn)油酸的攝取和甘油三酯的合成。

腸道菌群在不僅能夠調(diào)節(jié)腸道中脂質(zhì)吸收與排泄,還能夠影響宿主體內(nèi)其他器官的功能。進(jìn)食時(shí),位于小腸近端的內(nèi)分泌細(xì)胞釋放膽囊素(cholecystokinin,CCK),CCK刺激膽囊的釋放膽汁,增強(qiáng)腸道內(nèi)脂肪乳化從而促進(jìn)脂肪吸收。研究表明,無(wú)菌小鼠脂質(zhì)吸收的減少與CCK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑介導(dǎo)的胰腺刺激的破壞相關(guān),而灌胃多形擬桿菌和鼠李糖乳桿菌GG后,無(wú)菌小鼠胰腺中CCK的A型受體表達(dá)增加[14]。此外,腸菌的缺失導(dǎo)致WAT中禁食誘導(dǎo)脂肪因子(fasting-induced adipose factor,FIAF)表達(dá)增加,從而抑制脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL)活性,致使WAT脂質(zhì)儲(chǔ)存增加[15]。

3.2 脂質(zhì)氧化腸菌代謝物在調(diào)控宿主脂質(zhì)代謝信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。在禁食狀態(tài)下,腸菌代謝物通過(guò)宿主門靜脈到達(dá)肝臟,增加過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferator-activated receptors,PPARα)的表達(dá),從而促進(jìn)酮體的產(chǎn)生,加強(qiáng)脂肪酸β氧化[16],進(jìn)一步研究表明乳酸桿菌豐度的增加促進(jìn)了該過(guò)程[17]。研究表明,SCFAs能夠激活單磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinas,AMPK)信號(hào)通路,增加脂肪組織和骨骼肌中過(guò)氧化物酶體增殖激活受體γ輔助激活因子α(peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator-α,PGC-1α)的表達(dá)[18]。PGC-1α調(diào)節(jié)脂質(zhì)氧化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的活性,包括過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptors,PPAR)家族,例如PPAR家族的α和γ亞型。

3.3 脂解作用腸道菌群通過(guò)腸菌代謝物參與宿主脂解作用的調(diào)節(jié)。SCFAs介導(dǎo)的短鏈脂肪酸受體43(G protein-coupled receptor 43,GPR43)的激活能夠減少細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)溢出,促進(jìn)激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL)和脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)的表達(dá),從而促進(jìn)脂解作用[19]。乙酸鹽和丙酸鹽對(duì)GPR43表現(xiàn)出高親和力。研究表明,體外生理濃度內(nèi)的乙酸鹽和丙酸鹽能夠通過(guò)GPR43的激活來(lái)抑制3T3-L1脂肪細(xì)胞脂解,而丁酸鹽通過(guò)激活GPR41抑制脂肪分解[20]。

4 腸道微生物代謝物參與脂質(zhì)代謝過(guò)程

腸道菌群代謝物包括SCFAs、次級(jí)膽汁酸、吲哚類物質(zhì)、支鏈氨基酸(branched-chain amino acids,BCAAs)、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS),氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide,TMAO)等生物活性分子。近年來(lái),研究的熱點(diǎn)集中在SCFAs、BAs對(duì)宿主脂質(zhì)代謝的調(diào)控作用及其潛在機(jī)制。

4.1 短鏈脂肪酸SCFAs由腸道微生物群在宿主的結(jié)腸和盲腸中合成,是具有2～6個(gè)碳原子的有機(jī)脂肪酸,包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。丙酸鹽由擬桿菌門產(chǎn)生,是肝臟中糖異生的底物。乙酸鹽來(lái)自大多數(shù)厭氧菌,而丁酸鹽主要由厚壁菌門產(chǎn)生,兩者在結(jié)腸上皮細(xì)胞中轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A[21]。乙酰輔酶A不僅可以進(jìn)入三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量,還可以在胞質(zhì)酶系統(tǒng)的作用下產(chǎn)生棕櫚酸,棕櫚酸可以轉(zhuǎn)移到線粒體延長(zhǎng)碳鏈,與脂肪組織中儲(chǔ)存的其他物質(zhì)形成甘油三酯。此外,乙酸鹽也作為棕櫚酸鹽和硬脂酸鹽合成的前體參與肝臟脂肪酸的代謝[22]。

SCFAs不僅作為脂質(zhì)、能量代謝的底物,也可作為調(diào)節(jié)因子來(lái)調(diào)節(jié)宿主的生理代謝。SCFAs在調(diào)節(jié)食欲、脂肪生成、脂肪酸氧化、肝臟糖異生、WAT褐變,以及維持腸道環(huán)境的穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要作用[23],其調(diào)控機(jī)制主要取決于兩條途徑[24]。一條途徑是SCFAs直接抑制組蛋白脫乙酰酶(his-tone deacetylases,HDACs),影響一些非組蛋白的乙酰化修飾,調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),從而調(diào)控脂肪組織的產(chǎn)熱作用和肥胖的發(fā)生發(fā)展。另一條途徑是激活G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor,GPCR)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[25]。例如,丁酸通過(guò)激活GPCR促進(jìn)脂肪細(xì)胞分泌瘦素,而乙酸鹽、丁酸鹽和丙酸鹽可與表達(dá)于腸內(nèi)分泌L細(xì)胞的G蛋白偶聯(lián)受體GPCR-41和GPCR-43結(jié)合,促進(jìn)胰高血糖素樣肽-1(glucagon like peptide-1,GLP-1)和肽YY(peptide YY,PYY)分泌,從而影響食欲和能量的攝入[26]。此外,SCFAs通過(guò)GPR43激活促進(jìn)游離脂肪酸的合成,導(dǎo)致循環(huán)單不飽和脂肪酸增加和多不飽和脂肪酸減少[27]。

4.2 膽汁酸BAs是腸道菌群的另一主要代謝產(chǎn)物。在肝臟中,初級(jí)BAs由膽固醇7α-羥化酶介導(dǎo)的經(jīng)典途徑合成,由膽汁排出至腸道。腸道菌群可通過(guò)一系列去結(jié)合、差向異構(gòu)和脫羥基等作用,將初級(jí)BAs與甘氨酸(人)或?；撬?小鼠)結(jié)合,合成次級(jí)BAs。

膽汁酸參與宿主脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié),主要通過(guò)以下兩個(gè)方式。一方面,膽汁酸在腸道中通過(guò)乳化作用促進(jìn)小腸中脂質(zhì)的有效水解和吸收[28]。另一方面,BAs參與代謝網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)通路的調(diào)控,在肝臟脂質(zhì)代謝過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。普遍認(rèn)為,BAs能夠通過(guò)FXR-SHP途徑下調(diào)固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c(sterol regulatory element binding protein 1 c,SREBP1c)的表達(dá),抑制脂質(zhì)合成,同時(shí)刺激BAs-FXR-PPARα途徑并促進(jìn)脂肪酸氧化,調(diào)節(jié)肝臟脂肪酸和甘油三酯生物合成。最近的研究表明,次級(jí)BAs也能夠通過(guò)1-磷酸-鞘氨醇受體2(sphingosine-1-phosphate receptor 2,S1PR2)-鞘氨醇激酶(sphingosine kinase 2,Sphk2)途徑調(diào)節(jié)參與肝臟脂質(zhì)和葡萄糖代謝相關(guān)酶的基因表達(dá)[29]。此外,BAs通過(guò)下調(diào)肝臟中磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase,G6Pase)的表達(dá)降低肝臟的糖異生作用[30],以及通過(guò)FGF15/19依賴性途徑降低肝臟糖酵解基因的表達(dá),促進(jìn)肝糖原合成。

LCA和脫氧膽酸(deoxychlolic acid,DCA)是G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體5(G protein-coupled bile acid receptor 5,TGR5)的激動(dòng)劑。腸內(nèi)分泌L細(xì)胞中TGR5信號(hào)的激活提高了細(xì)胞內(nèi)cAMP水平,能夠誘導(dǎo)釋放GLP-1,從而改善肥胖小鼠肝臟和胰腺的功能,對(duì)脂質(zhì)合成和儲(chǔ)存有潛在影響[31]。TGR5誘導(dǎo)環(huán)腺苷酸依賴性碘甲腺原氨酸脫碘酶(iodothyronine deiodinase 2,D2)的表達(dá)。隨后,D2將四碘甲狀腺原氨酸(tetraildothyonine,T4)轉(zhuǎn)化為三碘甲狀腺原氨酸(triiodothyronine,T3),T3進(jìn)一步誘導(dǎo)脂肪組織解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)的表達(dá)[32],提高脂肪組織產(chǎn)熱。同樣,在骨骼肌和棕色脂肪組織中,TGR5的激活也能夠促進(jìn)宿主能量消耗[33]。此外,BAs還參與下丘腦介導(dǎo)的TGR5信號(hào)識(shí)別,通過(guò)激活交感神經(jīng)系統(tǒng),降低體重和脂肪量,促進(jìn)能量平衡,從而緩解飲食誘導(dǎo)肥胖。

4.3 氧化三甲胺TMAO來(lái)源于富含三甲胺的膳食營(yíng)養(yǎng)物,如L-肉堿、膽堿和甜菜堿等。上述營(yíng)養(yǎng)物經(jīng)奇異變形桿菌、大腸桿菌MS69-1和克雷伯氏菌屬等腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)生三甲胺(trimethylamine,TMA),TMA通過(guò)門靜脈循環(huán)進(jìn)入肝臟,并由含黃素單加氧酶-3(flavin-containing monooxygenase 3,FMO3)轉(zhuǎn)化為TMAO。血清TMAO水平與BMI,身體總脂肪百分比顯著相關(guān),且存在劑量依賴性關(guān)系[34]。因此,血清TMAO水平有助于提示患者的肥胖風(fēng)險(xiǎn)。然而,飲食中添加TMAO對(duì)高脂肪飲食喂養(yǎng)的小鼠的脂肪積累沒(méi)有顯著影響。因此,TMAO參與肥胖發(fā)生發(fā)展的機(jī)制仍待進(jìn)一步闡明。

4.4 其他代謝物吲哚衍生物、SCAAs等其他腸道菌群代謝物也參與到宿主的代謝調(diào)節(jié),通過(guò)從而改善宿主肥胖。吲哚類物質(zhì)由腸菌代謝色氨酸產(chǎn)生。肥胖癥期間,吲哚衍生物降低,導(dǎo)致WAT中miR-181增加[35]。吲哚給藥能夠減少WAT中的miR-181,并改善飲食誘導(dǎo)的肥胖[36]。SCAAs包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸[37],研究表明BCAAs循環(huán)水平的增加與胰島素抵抗有關(guān)[38],但其在胰島素抵抗中的病理生理學(xué)機(jī)制尚未完全闡明。

5 展望

腸道菌群通過(guò)代謝產(chǎn)物調(diào)控宿主脂質(zhì)吸收、脂質(zhì)氧化、脂解等相關(guān)代謝過(guò)程的表達(dá),從而改善肥胖癥中脂質(zhì)代謝紊亂。腸道菌群作為干預(yù)和治療肥胖的靶點(diǎn),具備良好的研究前景。然而,在肥胖發(fā)生發(fā)展的進(jìn)程中,腸道菌群中種水平上生物標(biāo)志物參與調(diào)節(jié)宿主脂質(zhì)代謝的作用機(jī)制尚不明確,腸菌的相互作用關(guān)系仍有待進(jìn)一步研究。