腸道菌群與肥胖發(fā)生的研究進(jìn)展

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作者：王京晶
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上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院研究生

9 j5 G+ X) O4 S, `" H學(xué)號(hào)：0080809032
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摘要
目前，肥胖對(duì)人類健康的影響越來(lái)越顯著，因此研究肥胖的發(fā)生機(jī)理和治療策略十分必要。這篇文章總結(jié)了腸道菌群與肥胖發(fā)生的研究進(jìn)展。研究表明，腸道菌群能夠幫助宿主從飲食中的多糖成分中獲得更多的卡路里，并儲(chǔ)藏在脂肪細(xì)胞中備用。腸道菌群還可以通過(guò)關(guān)閉Fiaf基因和增加ChREBP/ SREBP、Acc1和Fas的表達(dá)來(lái)增加脂肪在脂肪組織和肝臟中的儲(chǔ)存。并且，腸道中革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的脂多糖LPS，引發(fā)了全身慢性低水平炎癥反應(yīng)，然后導(dǎo)致肥胖。因此，通過(guò)益生菌、益生元或抗生素修飾腸道菌群可能成為未來(lái)治療肥胖的有效方法。
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關(guān)鍵詞  腸道菌群，肥胖，能量吸收，脂肪代謝，慢性低水平炎癥反應(yīng)

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肥胖是一種慢性代謝疾病，是導(dǎo)致高血壓、糖尿病、心腦血管疾病及非酒精性脂肪肝等疾病的重要因素。近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和人們生活方式的改變，
肥胖率呈上升趨勢(shì)。在美國(guó)將近1／3的成人超重或者肥胖，而全世界超重或肥胖人群已超過(guò)5億，肥胖已成為日益嚴(yán)峻的全球性公共衛(wèi)生問(wèn)題。目前，關(guān)于肥胖的病因研究進(jìn)展迅速。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，肥胖是多因素互相作用的結(jié)果[1]，基因、環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)等是研究的重點(diǎn)。而最新研究表明，腸道菌群與肥胖的形成有一定關(guān)系，可能發(fā)揮著重要的作用。本文就此作簡(jiǎn)要綜述。以期能為解釋肥胖成因，預(yù)防和治療肥胖提供依據(jù)。
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1  腸道菌群概述
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0 p! C+ I) C) Z3 y* D( ^. P* U人的腸道是一個(gè)復(fù)雜、活躍、同時(shí)維持著相對(duì)平衡的系統(tǒng)。其中定植著數(shù)目龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微生物群落，因此，人被稱為“超級(jí)生物體”。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)擁有1014個(gè)細(xì)胞，是人體細(xì)胞總數(shù)的10倍；大約500-1000種細(xì)菌，包含100多萬(wàn)個(gè)基因，數(shù)目是人類基因組的100倍。[2]
& X8 J4 l% [& X6 a+ J) d2 t其中的30-40 種優(yōu)勢(shì)細(xì)菌構(gòu)成了人體腸道細(xì)菌總量的 99％。腸道菌群和宿主之前存在著密不可分的互利共生關(guān)系，在宿主的消化吸收、免疫反應(yīng)、代謝活性方面都發(fā)揮著重要的作用。其中，在門(mén)水平上，厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)為兩個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，大多數(shù)糞便細(xì)菌都是一些不可培養(yǎng)的類型，且不同個(gè)體之間糞便樣品中的細(xì)菌組成也有顯著差異；在屬水平上，擬桿菌，柔嫩梭菌，乳酸菌，雙歧桿菌是四類與人類健康密切相關(guān)的優(yōu)勢(shì)菌，也是現(xiàn)階段人們對(duì)腸道微生物研究的重點(diǎn)。[3]
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2  腸道菌群的研究方法
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" i& ^/ L5 d) P- K! c, q" N在分子水平上研究腸道微生物生態(tài)，除了以往經(jīng)常用到的分子指紋圖譜（ARDRA、ERIC-PCR、DGGE/TGGE、T-RFLP）和克隆文庫(kù)的技術(shù)，元基因組學(xué)和代謝組學(xué)目前逐漸成為主要的研究方法[4]。元基因組學(xué)是指人體及其體內(nèi)所有微生物的基因信息的集合，測(cè)序速度大大提高對(duì)元基因組的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。代謝組學(xué)是關(guān)于定量描述生物內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其對(duì)內(nèi)因外因變化應(yīng)答規(guī)律的科學(xué)，利用高通量、高靈敏度與高精確度的現(xiàn)代分析技術(shù)，把研究對(duì)象作為一個(gè)整體來(lái)觀察和分析，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。
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3  腸道菌群與肥胖
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/ [$ {; v" [9 B/ s, x# `0 I- K肥胖作為一種慢性全身性代謝性疾病，嚴(yán)重影響人們的正常生活。以往多關(guān)注的是基因?qū)Ψ逝职l(fā)生的影響。但基因從人一出生就確定了，以后就不再改變。但人的身體狀況是在后天不斷變化的，這說(shuō)明基因并不是決定肥胖的關(guān)鍵因素。腸道菌群與人類長(zhǎng)期共進(jìn)化，可能是產(chǎn)生肥胖的關(guān)鍵因素之一，而且越來(lái)越多的證據(jù)證明了這點(diǎn)。
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3.1  腸道菌群與能量吸收
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Backhed等人研究發(fā)現(xiàn)[5]，正常喂養(yǎng)的小鼠的體脂含量比無(wú)菌小鼠高40%，性腺脂肪含量高47%，并且正常小鼠的進(jìn)食量比無(wú)菌小鼠低。將正常小鼠的腸道菌群克隆到無(wú)菌小鼠體內(nèi)，飼喂條件不變，兩周后其脂肪量增加60%，并且出現(xiàn)胰島素抵抗。這表明肥胖可能與腸道菌群有關(guān)。導(dǎo)致體重增加的可能因素是：①腸道內(nèi)葡萄糖的吸收增強(qiáng)。②腸道菌群能發(fā)酵人體不能消化的多糖形成短鏈脂肪酸，提供多余的能量，同時(shí)短鏈脂肪酸能夠誘導(dǎo)脂肪合成。③高血糖和胰島素血癥刺激脂肪生成。
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Ley等人的研究表明[6]，肥胖可能和腸道菌群的改變有關(guān)。他們對(duì)肥胖的ob/ob小鼠和對(duì)照的非肥胖小鼠(-／-)腸道內(nèi)5000多種細(xì)菌的16s rRNA基因序列進(jìn)行分析，ob小鼠擬桿菌門(mén)的數(shù)量少50％，同時(shí)具有更多的厚壁菌門(mén)細(xì)菌。這個(gè)小組也對(duì)肥胖和非肥胖的人的腸道菌群做了研究[7]。他們對(duì)12名肥胖患者進(jìn)行跟蹤研究，通過(guò)分別給予脂肪限制的飲食和碳水化合物限制的飲食進(jìn)行治療。一年后前者體重下降2％，后者體重下降6％
& `7 k3 j* }# ]/ ?2 `，進(jìn)行16s rRNA基因研究表明，攝入食物的總能量不變的前提下，通過(guò)兩種飲食減肥后，腸道內(nèi)的厚菌門(mén)數(shù)量下降，而擬桿菌門(mén)數(shù)量上升。
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這些研究只說(shuō)明了肥胖改變了腸道菌群，并不能說(shuō)明腸道菌群的改變導(dǎo)致了肥胖的產(chǎn)生。但以下的研究可以證明這個(gè)假說(shuō)。Turnbaugb等人的研究表明[8]，肥將胖小鼠(ob／ob)的腸道菌群轉(zhuǎn)移到非肥胖無(wú)菌小鼠體內(nèi)，2周后非肥胖小鼠就和肥胖小鼠一樣，具有更高的能量吸收的效率，并且其排泄物中能量更低，還具有明顯的體重增加。由此可見(jiàn)，在營(yíng)養(yǎng)攝人相同的條件下，腸道微生物幾乎可以決定宿主的能量吸收。同時(shí)，肥胖小鼠富含早期降解多糖的酶．能經(jīng)KEGG通路代謝淀粉、半乳糖、丁酸鹽，有明顯的體重增加。此外，肥胖小鼠腸道中含有更多的古生菌。

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人體腸道幾乎不含多糖消化酶，不能消化植物多糖，如纖維素、半纖維素、果膠、抗性淀粉等，而微生物將多糖降解為短鏈脂肪酸，二氧化碳和氫氣。并且體內(nèi)多余的葡萄糖，除少量合成糖原儲(chǔ)存在肝臟和肌肉以外，大部分將合成脂酸和脂肪在脂肪組織中儲(chǔ)存，所以，高血糖對(duì)于肥胖有促進(jìn)作用。研究表明[9]，碳水化合物來(lái)源的能量，有1O％～15％依賴于腸道細(xì)菌的酵解。腸道細(xì)菌中擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)對(duì)肥胖有較大的影響。多形擬桿菌能編碼64種多糖降解相關(guān)的酶，從而降解多糖，為宿主提供額外的能量。接種多形擬桿菌10d后的小鼠，其盲腸內(nèi)己糖的濃度顯著降低，說(shuō)明細(xì)菌能促進(jìn)宿主對(duì)單糖的吸收。這個(gè)結(jié)果和上面肥胖患者體內(nèi)擬桿菌門(mén)含量少有些矛盾。厚壁菌門(mén)也具有降解人體所不能降解的多糖，為人體提供能量的作用。比如，直腸真桿菌(厚壁菌門(mén))至少含有44種與抗性淀粉降解酶有關(guān)的基因。腸道菌群中的古生菌也對(duì)肥胖有一定得影響。古生菌是多糖代謝鏈的最后的微生物環(huán)節(jié)。嗜溫產(chǎn)甲烷菌通過(guò)產(chǎn)生甲烷來(lái)降低氫氣的分壓．有利于維持厭氧的環(huán)境，并因此增加了微生物的發(fā)酵效率[10]。對(duì)小鼠接種人體腸道內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌和擬桿菌后，與單一接種相比，提高了發(fā)酵的效率，從而顯著提高了肥胖的發(fā)生率。
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" m! b& P6 E! E( k3 R7 q3.2  腸道菌群與脂肪代謝

Backhed等人 [5]通過(guò)對(duì)無(wú)菌小鼠、正常小鼠、和克隆了正常小鼠腸道菌群的無(wú)菌小鼠的研究，說(shuō)明了腸道微生物與脂肪代謝的關(guān)系 。無(wú)菌小鼠在食物消耗量增加的情況下，身體脂肪含量的增長(zhǎng)卻比定植菌群的小鼠低。他們研究認(rèn)為，腸道菌群一方面增加對(duì)食物中多糖的利用，增加碳水化合物反應(yīng)結(jié)合元件蛋白ChREBP/固醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白SREBP的表達(dá)，它們是協(xié)同介導(dǎo)肝臟細(xì)胞對(duì)胰島素和葡萄糖的反應(yīng)并進(jìn)行脂肪生成的轉(zhuǎn)錄因子，并使之與乙酰輔酶A羧化酶Acc1和脂肪酸合酶Fas（表達(dá)量也增加）結(jié)合，從而使甘油三脂在肝臟中積累，增加宿主肝臟脂肪合成；另一方面，腸道菌群能夠抑制禁食誘導(dǎo)脂肪因子Fiaf（一種LPL-脂蛋白脂肪酶抑制因子）的表達(dá)，使脂蛋白脂肪酶LPL增加，它可以催化肌肉和心臟脂肪的脂蛋白釋放脂肪酸—甘油三脂，從而使得脂肪組織中積累甘油三脂。

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該組人員[11]又通過(guò)實(shí)驗(yàn)解釋無(wú)菌小鼠能夠抵抗高脂食物誘導(dǎo)的肥胖的機(jī)理，這包括兩個(gè)調(diào)控脂肪酸代謝的途徑：無(wú)菌小鼠（1）提高了Faif的水平，誘導(dǎo)了過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體輔助激活因子Pgc-1α（一種新型輔助轉(zhuǎn)錄激活因子,其與棕色脂肪細(xì)胞的分化及其生理功能關(guān)系密切,可能是新的減肥藥物作用靶點(diǎn)）的表達(dá)，啟動(dòng)了脂肪氧化的代謝途徑，即消耗了脂肪；（2）提高了AMP活化蛋白激酶（AMPK）及其下游參與脂肪氧化的靶點(diǎn)（乙酰輔酶A羧化酶等）的磷酸化水平，即提高了它的活性，打開(kāi)了分解代謝途徑，同時(shí)關(guān)閉消耗ATP的通路，即可分解脂肪。

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可見(jiàn)，腸道菌群對(duì)脂肪的儲(chǔ)存發(fā)揮了重要的作用。
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- h, F9 w1 I" T# x) z- U7 {3.3  腸道菌群與慢性低水平炎癥反應(yīng)

( ^* S3 T5 Y6 K最新研究表明[12]，肥胖癥和胰島素抵抗都被證明與全身的慢性低水平的炎癥有關(guān)。肥胖發(fā)生后，由于巨噬細(xì)胞對(duì)脂肪組織的滲透和脂肪細(xì)胞自身產(chǎn)生炎癥因子，使得脂肪組織發(fā)炎。巨噬細(xì)胞會(huì)聚集很多脂類，形成泡沫狀細(xì)胞。脂肪細(xì)胞和巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出同樣的特征，即表達(dá)炎癥因子、FABPs(脂肪酸結(jié)合蛋白)、核激素受體等。

1 S3 S4 ^  b0 `+ S8 [Cani等人提出了一個(gè)腸道菌群改變促使肥胖發(fā)生機(jī)制的假說(shuō)[13]，腸道中存在的革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的脂多糖（LPS）是引發(fā)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵因子。給正常小鼠喂高脂飲食后和直接皮下注射LPS一樣，都會(huì)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和小鼠的肥胖發(fā)生；但是給CD14突變小鼠注射LPS卻不能引起炎癥反應(yīng)和肥胖。這一系列的實(shí)驗(yàn)表明，①高脂飲食增加炎癥反應(yīng)，并且影響腸道內(nèi)主要菌群的數(shù)量，主要是B caecal contents Fish，革蘭氏陰性菌MIB降低，而另外兩種革蘭氏陽(yáng)性菌Bifidobacterium和Eubacterium related –C.coccoides 也顯著減少。②慢性代謝性炎癥反應(yīng)導(dǎo)致肥胖、胰島素抵抗和糖尿病。代謝性內(nèi)毒素進(jìn)入血液后，通過(guò)依賴CD14的機(jī)制引起炎癥因子（IL-1, IL-6 和 TNF-α等）的表達(dá)。LPS在LBP（LPS-binding protein）的轉(zhuǎn)運(yùn)作用下，與其co-receptor CD14 及TLR4（Toll like receptor 4）結(jié)合，從而引起表面能夠表達(dá)CD14、TLR4的免疫細(xì)胞（如巨噬細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞等）的一系列信號(hào)傳遞，然后釋放炎性因子[14]。由此表明，LPS/CD14系統(tǒng)控制著肥胖和糖尿病的開(kāi)始[13]。對(duì)人類的研究也證明了這些結(jié)論。還有研究證明[15]，二型糖尿病患者比對(duì)照組試驗(yàn)者具有較高的LPS水平。
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讓試驗(yàn)者服用抗生素多粘菌素B，這種抗生素作用于革蘭氏陰性菌，可以看到LPS表達(dá)受到了抑制。[16]

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Cani等人還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明[17]，選擇性地添加雙歧桿菌，可以增強(qiáng)血管屏障，阻止內(nèi)毒素進(jìn)入血液，因而降低了全身性慢性炎癥反應(yīng)的發(fā)生，對(duì)預(yù)防和治療肥胖和糖尿病有很好的指導(dǎo)意義。而像硫酸鹽還原菌等可將食物代謝產(chǎn)生H2S氣體，破壞腸道屏障，使內(nèi)毒素進(jìn)入到血液中，增加炎癥反應(yīng)的發(fā)生。

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綜上所述，腸道菌群可能通過(guò)改變能量吸收、脂肪代謝和引發(fā)全身低水平慢性炎癥反應(yīng)來(lái)引起肥胖的發(fā)生（如圖所示）。其中，能量吸收和脂肪代謝的改變依靠腸道菌群利用難消化食物和關(guān)閉人類Fiaf基因、增加ChREBP/ SREBP、Acc1和Fas的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而全身性慢性炎癥反應(yīng)由革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的LPS引發(fā)，但像雙歧桿菌這樣的益生菌可以形成血管屏障，阻止炎癥反應(yīng)的發(fā)生，而像硫酸鹽還原菌等可將食物代謝產(chǎn)生H2S氣體，破壞腸道屏障，使內(nèi)毒素進(jìn)入到血液中，增加炎癥反應(yīng)的發(fā)生。這種全身性的炎癥反應(yīng)有兩種原因引起：內(nèi)毒素和病原菌壁上的抗原。越來(lái)越多的學(xué)者傾向于慢性炎癥的機(jī)制，但仍有爭(zhēng)議。他們認(rèn)為這比其他機(jī)制，能從更根本的基礎(chǔ)上解釋肥胖的成因，但目前還需進(jìn)一步的證明。
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2 t( ~. M0 v. O1 u8 ?4  肥胖的治療策略
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0 {& ]& K& w% Y$ @! K/ J# }+ Z; K目前，通過(guò)飲食和運(yùn)動(dòng)來(lái)治療肥胖為大多數(shù)人的選擇。有實(shí)驗(yàn)證明，利用抗生素、益生元、益生菌來(lái)改變腸道菌群，也可以治療肥胖。

  K5 I; G" o' S$ Q  {! ?& u. i益生菌是指通過(guò)改善腸內(nèi)菌群的平衡,對(duì)宿主起到有益作用的活性微生物，目前研究最多的是乳酸菌和雙歧桿菌。研究表明[17]，雙歧桿菌科保護(hù)腸屏障，抑制內(nèi)毒素進(jìn)入血液，導(dǎo)致肥胖。因此我們可以通過(guò)食用益生菌來(lái)預(yù)防肥胖。益生元是指一種不消化的食物成分，它能有選擇地刺激一種或幾種結(jié)腸中的對(duì)宿主健康有好處的微生物的生長(zhǎng)和活力，從而改善宿主的健康，誘導(dǎo)腸腔內(nèi)系統(tǒng)性免疫，改善宿主體質(zhì)，目前對(duì)菊粉和低聚果糖的研究較多[url=][[/url]18] [19]。低聚果糖可使飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠恢復(fù)腸道內(nèi)雙歧桿菌的含量[17]?？股?/font>能在低微濃度下有選擇地抑制或殺滅其它生物機(jī)能的有機(jī)物質(zhì)，也可以改變腸道菌群。試驗(yàn)者服用抗生素多粘菌素B后，LPS表達(dá)受到了抑制，可能用于肥胖等代謝性疾病的治療[15]。這些都可能成為將來(lái)治療肥胖的有效策略。
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5  問(wèn)題和展望

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雖然對(duì)腸道菌群與肥胖的研究取得了很多的成果，但是我們?nèi)匀幻媾R著一些問(wèn)題。①具體菌株是如何調(diào)節(jié)體重的？②擬桿菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和古菌在人或小鼠體內(nèi)相對(duì)比例的機(jī)制有待探索。③修飾腸道菌群的其他方法有什么？④抗生素，益生菌、益生元的安全性是否可以保障。這些問(wèn)題，都需要我們進(jìn)一步地研究。而腸道菌群改變和肥胖孰因孰果這個(gè)問(wèn)題尤為重要。Kalliomi等人[20]，通過(guò)對(duì)一些兒童從出生到7歲的糞便樣品進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)7歲時(shí)體重正常的兒童比超重的兒童，他們?cè)?-12個(gè)月時(shí)的糞便樣品含有較多的雙歧桿菌和較少的葡萄球菌。這就可以說(shuō)明，腸道菌群差異是導(dǎo)致肥胖的原因。