肠道菌群昼夜节律与宿主生物节律相互作用

生物节律已逐渐成为研究人体代谢的一个重要因素。与人体互利共生的肠道菌群与其宿主存在着广泛的信息交流，尤其是对机体代谢产生着重要的影响。本文将以生物节律作为切入点，阐述有关肠道菌群昼夜节律与宿主生物节律相互作用以及对机体代谢的影响。

1外周组织的昼夜节律

人体的生物节律系统包含由核心的节律基因（circadiangene）组成的中枢生物节律以及存在于心、肝、肠、脾等外周组织的外周生物节律[2]。其中最具有代表性的生物节律是周期约为24小时的昼夜节律。目前公认的哺乳动物核心节律基因包括在白天时表达数量较多的clock和bmal1钟基因以及在夜间表达最多的节律基因，其转录蛋白包括隐花色素蛋白（CRYs）和时期蛋白（PERs）[3]。位于下丘脑的视交叉上核（SCN）的中枢生物节律起搏器经过神经内分泌等信号控制节律基因的节律性振荡与表达，并对外周生物节律起到调控作用[4]。但针对特定外周组织昼夜节律性的具体特点仍不清楚。

最近Panda团队发现，外周组织的昼夜节律与其功能密切相关，通过PloyA序列相关RNA测序（PolyA+RNA-sequencing）以24小时为周期每隔两小时检测灵长类动物几十种不同组织的基因表达，可发现近80%的基因活性在外周组织遵循着组织特异性昼夜节律（tissue-specificcircadianclocks），且这种节律性与组织功能有关。这也提示了外周组织可以通过控制功能相关基因的转录和翻译而使能量代谢和利用达到最优化。与人体互利共生的生物群落——肠道菌群是否也可能存在着与特定功能有关的昼夜节律性变化将是进一步揭示肠道菌群可调控机体代谢的突破口[5]。

2肠道菌群昼夜节律与宿主昼夜节律的相互作用

近年来，越来越多的证据表明：肠道菌群存在着昼夜节律性振荡（diurnaloscillations），并且在宿主的昼夜节律被破坏后，可引起肠道菌群昼夜节律的改变。反之，肠道菌群昼夜节律也可对宿主昼夜节律产生效应，这种双向作用的关系逐渐成为研究机体代谢的一个新的切入点。

2.1肠道菌群的昼夜节律性振荡细菌的昼夜节律首先发现于蓝绿细菌（Cyanobacteria）之中，其代谢水平的节律性主要受到纬度变化（光照时间）的影响[6]。但肠道菌群作为一个生物群落是否存在昼夜节律一直尚未清楚。随着对人体肠道菌群研究的不断深入，越来越多的证据表明肠道菌群的确存在着以昼夜24小时为周期的节律性变化[7]。这种昼夜节律主要体现在菌群构成和功能两大方面：（1）在构成上，Thaiss等[8]研究证实不论人类还是小鼠，通过对光照时间和进食节律的调控，15%以上菌种的相对丰度呈周期性变化，主要包括梭菌属和拟杆菌属等。此外，针对C57BL/6系小鼠的粪菌进行16SrRNA基因检测可观察到细菌总数在23:00时可达到峰值而后随着光照增强逐渐减少，直到早晨7:00左右当光照强度明显增大时达到最低点。拟杆菌门和厚壁菌门占据了肠菌总数的绝大部分，对两者进行数量检测发现，在C57BL/6系小鼠的粪菌中拟杆菌门的绝对数量在23:00（66%）和上午11:00（60%）较高，其他时间较低；而厚壁菌门绝对数量的昼夜变化幅度微小。因此，拟杆菌门绝对数量的昼夜波动是菌群构成存在节律性变化的主要驱动力[9]。（2）在功能方面，对于夜间活动频繁的啮齿类动物而言，在夜间的进食阶段，肠道菌群中的厚壁菌门、拟杆菌门的含量增多，伴随着宿主的能量代谢、DNA修复、细胞生长等活动比较活跃；而在白昼休息时期，菌群中乳杆菌的数量相对更多，伴随着机体解毒作用、胃肠动力作用以及对环境感知等活动显著增强[8]，这也证明了肠道菌群的昼夜节律性是在进化过程中适应其宿主生理代谢的结果。除了构成和功能上的改变，肠道菌群的定植位置也随着昼夜更替存在着微小的移动。利用qPCR和电子显微镜技术可观察到小鼠体内肠道黏膜的厚度以及菌群在黏膜层中渗入定植的程度在24小时中存在着周期性变化，在夜间肠道黏膜上皮细胞和寄生菌群的空间相互位置最为接近，这种空间位置上的节律性改变在一定程度上导致了肠道菌群的组成发生变化，进而对菌群与宿主间的功能交流产生了影响[10]。然而，目前肠道菌群昼夜节律的研究对象主要还集中在以夜间活动为主的啮齿类动物，缺乏针对人体肠道菌群的昼夜节律变化特点的相关研究。

2.2宿主昼夜节律对肠道菌群昼夜节律性的调控作用对于肠道菌群昼夜节律的调控因素，目前研究更多的是宿主的昼夜节律对肠道菌群的昼夜变化的调控作用。普遍观点认为宿主昼夜节律的紊乱会导致肠道菌群失调，而菌群失调将对肠道生理状态的免疫屏障和营养代谢功能产生直接影响[11]。目前所公认的宿主对肠道菌群昼夜节律的调控途径主要涉及两个方面：（1）是宿主本身存在着适应昼夜变化的节律性。通过对钟基因PER1和PER2双敲除实验发现，当宿主的昼夜节律发生紊乱后将直接打破肠道菌群昼夜波动的节律性，引起菌群的组成和功能两方面的改变。在组成方面，以梭菌属的变化最为明显，伴有菌群构成的紊乱；在功能方面，菌群紊乱将引起菌群功能失调，进而引起宿主维生素代谢、核苷酸代谢、DNA修复、细胞成分和运动性等方面都丧失了正常24小时周期性变化的特征[8]。在Liang等[9]的实验中，通过敲除核心钟基因Bmal1而扰乱宿主的昼夜节律，可观察到小鼠肠道菌群（粪菌）在构成和数量上的节律性被破坏，而这种改变还与宿主性别相关联，雌性小鼠相对于雄性小鼠表现出了更为明显的菌群昼夜振荡性。这些都说明，肠道菌群所表现出的昼夜节律变化受到宿主钟基因的调控作用。（2）是宿主可通过调节进食的节律性来调控菌群振荡。对PER1/PER2敲除小鼠给予长时间规律性饮食后（包括营养结构和喂食时间的控制）检测菌群的组成发现，调控进食节律可纠正由于宿主生物节律破坏而引起的菌群失调。这也提示我们在哺乳动物中，食物信号是环境中除光信号外最有效的生物钟授时信号，调控进食节律可诱导肠道组织钟基因的表达时相脱离中枢SCN的控制，也就是宿主的进食信号可独立于中枢节律性的控制而参与形成肠道菌群的昼夜节律[12]。然而宿主昼夜节律或是进食规律的改变是如何对肠道菌群的昼夜节律发挥调控作用，其具体的信号通路和机制还需要进一步研究，从而进一步拓宽宿主与肠道菌群间的生物钟调控网络。

2.3肠道菌群的昼夜节律性影响宿主生物钟鉴于肠道菌群和宿主的共生关系，先前的研究证实了宿主的昼夜节律可以对肠道菌群的昼夜振荡性产生影响，而研究表明，菌群的节律性变化也可以影响宿主钟基因的转录和翻译等活动[10]。通过抗生素干预打破肠道菌群的节律性稳态会破坏宿主肠道组织正常的核染色质的转录振荡性，从而直接影响宿主基因表达的节律性。比较小鼠肝脏对过量的乙酰氨基酚的解毒效果，发现过量的乙酰氨基酚毒性在黎明时分最小，而在黄昏时分最大。其机制主要是肠道菌群释放到血液循环中的代谢产物（如鸟氨酸、脯氨酸，氨基甲酸等）的水平存在着昼夜波动，因此改变了小鼠肝脏中编码多种代谢酶的基因的表达。这表明肠道菌群能调控肝脏在一天中的解毒效能，证明肠道菌群紊乱能改变宿主器官昼夜节律活动。Leone等[13]的研究显示：对小鼠喂食高脂饮食后会扰乱菌群代谢产物的平衡稳态，特别是丁酸、醋酸等某些短链脂肪酸的增加，可直接打破肝细胞内生物钟基因（Per2和Bmal1）的节律性表达。这表明肠道菌群的代谢产物在调节肝脏生物节律和宿主代谢方面发挥着重要作用。此外，还有研究表明肠道菌群可以通过作用于组蛋白的代谢产物实现与宿主的交流，从而影响基因转录，这一过程不仅发生在结肠，也存在于身体其他部分组织中[14]。因此，肠道菌群在定植位置和代谢组学上的节律性可调控宿主特定基因表达的节律性，一旦肠道菌群失调并打破菌群固有的生物节律，将导致宿主出现代谢紊乱等病理状态。

3肠道菌群与宿主在昼夜节律上的相互作用对代谢的影响

已有研究证明，昼夜节律对机体的生理代谢过程发挥着重要作用[15]，肠道菌群的活动也参与其宿主的代谢过程[16]。因此将生物节律作为肠道菌群和其宿主之间的链接点可能为代谢类疾病的诊断和治疗提供新的靶点和思路。

宿主钟基因突变可导致肠道菌群失调并伴随肠黏膜通透性升高，从而加重内毒素血症和脂代谢紊乱，增加脂肪肝的发生率；进食节律性改变可干扰菌群使其中的拟杆菌含量下降、厚壁菌门的含量上升，将会增加肥胖的发生率[17]；钟基因Bmal1在小鼠体内发挥抗炎作用，当Bmal1缺失会导致菌群的组成结构向致炎的表型发生转变，例如Rikenellaceae、Clostridiaceae等细菌的增加与溃疡性结肠炎和克罗恩病的发生发展密切相关[18]。这些都表明宿主生物节律的改变将导致菌群失调从而引起代谢类疾病。另一方面，通过抗生素破坏肠道菌群的昼夜节律可使宿主钟基因的转录组学发生改变，从而影响肝脏的解毒功能，进而血清中氨基酸和多胺类等多种代谢产物的稳定性受到破坏，这表明肠道菌群的节律性紊乱可使宿主节律性被破坏进而导致代谢紊乱。这两方面共同揭示了菌群节律性和宿主节律性的双向反馈回路对机体代谢起着重要作用[19]。

目前更倾向于研究钟基因调控机体代谢过程中一些重要基因的表达从而实现对糖和脂类代谢的昼夜节律调节[20]。已有研究表明，肠道上皮细胞中Nfil3基因的表达参与了机体营养物质（包括葡萄糖和甘油三酯等）的代谢过程，尤其是在脂类的代谢和储存中发挥着重要作用[11]。最近，Wang等的研究揭示在生理状态下肠道菌群可通过调控宿主Nfil3基因的表达参与脂类代谢。研究发现Nfil3是菌群、昼夜节律和宿主新陈代谢之间的重要链接[21]。革兰阴性菌（有鞭毛）的代谢产物可通过Toll样受体（Toll-likereceptor，TLR）和下游的MyD88通路激活树突状细胞（dendriticcells，DCs），DCs通过分泌白介素23（IL-23）使先天性淋巴细胞3（innatelymphoidcell，ILC3）分泌IL-22，最终作用于肠道上皮细胞，使细胞内的STAT3通路活化，活化的STAT3可抑制钟基因转录受体Rev-erbα的表达从而使Nfil3表达上调，促进脂类物质的代谢和存储。反之，在肠道菌群的稳定性被破坏后，可引起宿主生物节律的改变，Nfil3表达下调从而脂质代谢发生紊乱[22]。由此，肠道菌群信号通过DC-ILC3-STAT3通路传递至宿主上皮细胞，从而确定了肠道菌群与其宿主通过调节生物节律影响代谢的关键通路。

此外，还有研究提出肠道菌群的某些代谢产物，如胆盐水解酶（BSH）等，可通过参与胆酸代谢对宿主的昼夜节律产生影响[23]，并且BSH通过“肠―肝轴”对宿主的脂类和胆固醇代谢发挥重要作用。例如乳杆菌可以产生BSH，其在回肠结合胆汁酸后将对胆汁酸受体——法尼醇X受体（FXR）起到抑制作用。FXR本身可抑制胆固醇7α-羟化酶（cholesterol7-alphahydroxylase，CYP7A1）的活性，CYP7A1是合成胆汁酸的限速酶。因此BSH可通过抑制FXR对胆汁酸代谢起到促进作用。在对小鼠给予高脂饮食扰乱肠道菌群的组成后，重新对饮食的节律性进行调控可降低FXR的表达，增高CYP7A1的水平，同时伴随着胆固醇水平的下降。并且FXR本身具有高度昼夜节律性，因此对于进食节律的严格调控不仅能恢复菌群自身的节律性，还可以通过调节FXR上调CYP7A1的水平来调节脂类代谢[17]。以上这些结果都提示了当昼夜节律出现紊乱，肠道菌群与其宿主在物质代谢方面的相互平衡会被打破，从而导致了代谢类疾病的发生与发展。

4结语与展望

近年来已经有多项研究证实了宿主昼夜节律与糖、脂类等营养物质的代谢过程有关，昼夜节律的紊乱与肥胖等代谢类疾病存在着密切联系。人体的肠道具有营养吸收和免疫屏障等多重功能，并且与共生的肠道菌群在昼夜节律方面存在着从基因水平到分子水平的相互交流，这种互作模式对机体代谢过程产生不同的效应，这将成为研究代谢类疾病（如克罗恩病、2型糖尿病等）发病机制和干预措施的新靶点。此外，在关于菌群和宿主的基础研究方面，阐明这种相互作用有利于在相关研究中消除昼夜节律对于实验结果的影响。然而，人们对肠道菌群生物节律的调控机制和对代谢的具体影响过程还存在着很多需要解决的问题，如肠道菌群与其宿主在生物节律方面相互作用的具体信号通路，病理状态下肠道菌群节律性有何显著变化，与外周的生物钟之间是否存在着独立于中枢SCN控制的时钟网络来调节代谢等。这些都需要进一步的实验论证。随着生物钟网络的进一步拓宽，肠道菌群的昼夜节律性可作为一个重要切入点，为机体代谢类疾病的研究提供新的思路和可能。

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