肠道菌群调控肥胖症脂质代谢机制的研究进展

徐嘉琦,林以宁

(中国药科大学中药学院,江苏 南京 211198)

肥胖症与2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、高血压、高脂血症等诸多代谢性综合征相关,表现为脂肪组织过度积累。长期的能量摄入超过能量消耗被认为是引起肥胖的主要原因。多余的能量以甘油三酯的形式储存在脂肪组织中。当脂肪组织的储存能力不足时,向外周释放过量的游离脂肪酸,活性氧和促炎细胞因子,非脂肪组织(如肝脏、骨骼肌和胰腺)摄取游离脂肪酸,最终导致异位脂肪沉积。

肠道菌群由数万亿个细菌组成,在人体代谢过程中起着重要作用。近年来,随着微生物培养技术、粪菌移植技术、16s RNA基因测序技术以及组学技术的蓬勃发展,肠道菌群与人体生理功能的相关研究越来越深入。研究表明,肠道菌群参与宿主脂质吸收与转运、脂质合成与氧化、白色脂肪棕色化等过程。本文总结了肠道菌群参与调控肥胖症脂质代谢的潜在机制,旨在为未来开发新的预防或治疗策略提供参考。

1 肠道菌群的组成

健康人肠道菌群由1 000多个种型组成,分为6个细菌门:厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、梭杆菌门、放线菌门和疣微菌门。厚壁菌门和拟杆菌门在健康成年人肠道中所占比例最高(90%)[1]。目前普遍认为,肥胖和肥胖相关的生理指标与厚壁菌门和拟杆菌门的比例有关[2]。相较于瘦人群,肥胖人群的肠道微生物群中拟杆菌门的丰度增加,而厚壁菌门的丰度减少。

肠道微生物群的组成可以影响人体摄取营养和调节能量代谢。高脂饮食的摄入促进肠道微生物群向厚壁菌门优势的方向的转变,增加了从饮食中获取的能量,从而导致体重增加和肥胖。相反,低脂肪和低糖的饮食通过增加脂肪细胞因子的表达,随后的能量消耗增加和脂肪储存减少,增加了拟杆菌门的优势,从而促进体重减轻。肠道微生物群对宿主能量摄取的影响,可能与厚壁菌门相关的致肥胖功能,拟杆菌门的抗肥胖功能相关。随着从饮食中获取的能量增加,厚壁菌门丰度增加20%,并且拟杆菌门丰度成比例减少[3]。

2 肥胖症中的关键肠道微生物

肠道菌群种类繁多,某些特定的肠菌可以促进肥胖的发生发展,如厚壁菌门、肠杆菌属和梭菌属等。另一些肠菌乳杆菌属、双歧杆菌属、拟杆菌属等被证明可以抑制肥胖的发展,其机制主要涉及调节能量代谢、减少胰岛素抵抗和促进白色脂肪的褐变等多种途径[4]。

目前,已有研究多聚焦于科/属水平上肠菌对肥胖脂肪组织及肠道生态的调节作用。最新的研究集中于阐明种水平上肠菌在肥胖的发生发展进程中调控脂质代谢的作用机制,如嗜酸乳杆菌、多形拟杆菌等。

2.1 嗜酸乳杆菌(Lactobacillusacidophilus) 嗜酸乳杆菌能够降低用高脂肪饮食(high fat diet,HFD)喂养的小鼠的体重、脂肪量、以及改善能量、葡萄糖和脂质代谢[5]。嗜酸乳杆菌通过降低厚壁菌门与拟杆菌门的比率,从而逆转HFD诱导的肠道生态失调,维持肠道屏障的完整性[6]。口服嗜酸乳杆菌上调白色脂肪组织(white adipose tissue,WAT)中脂肪酸β氧化限速酶肉碱脂酰转移酶-1(carnitine palmitoyltransferase 1,CPT-1)、脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL)和CCATT增强子结合蛋白α(CCAAT-enhancer binding proteinα,C/EBPα)的基因表达, 并且下调脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FAS)表达[6],表明嗜酸乳杆菌通过调节能量代谢、脂肪分解以及脂质合成相关基因的表达,来减少脂肪积累。

2.2 路氏乳杆菌(Lactobacillusreuteri) 高脂饮食饲养下,口服路氏乳杆菌增加了小鼠WAT的耗氧量,其机制可能与WAT棕色化相关基因mRNA水平的上调有关,包括PR结构域蛋白16(PRD1-BF1-RIZ1 homologous domain containing 16,PRDM16)等[7]。路氏乳杆菌能够调节胆汁酸(bile acids,BAs)谱从而影响脂质的积累。口服路氏乳杆菌抑制了回肠法尼醇受体(Farnesoid X receptor,FXR)/成纤维细胞生长因子15(fibroblast growth factor 15,FGF15)信号通路,但激活了肝脏FXR/小异二聚体伴侣(small heterodimer partner,SHP)信号通路,导致肝脏甘油三酯积累减少,该调节作用与熊去氧胆酸(ursodeoxycholic acid,UDCA)和石胆酸(lithocholic acid,LCA)密切相关[8]。

2.3 多形拟杆菌(Bacteroidesthetaiotaomicron) 多形拟杆菌是人类肠道中拟杆菌门的主要物种。灌胃多形拟杆菌能够抑制小鼠WAT中的脂肪生成,并促进脂肪分解和氧化,抑制体重增加和肥胖。然而,口服多形拟杆菌造成无菌小鼠脂肪量增加,可能与肠和肝中人类白细胞分化抗原36(cluster of differentiation 36,CD36),脂肪酸结合蛋白2(fatty acid-binding protein 2,FABP2)等脂肪酸摄取相关蛋白表达的上调相关。上述结果表明多形拟杆菌可能需要特定的肠道微环境来发挥其抗肥胖作用[9]。

2.4 其他菌种普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzi)、嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansiamuciniphila)等肠菌与肥胖发生发展密切相关。嗜黏蛋白阿克曼菌是一种在健康人体内发现的肠道厌氧共生菌,主要通过降解黏蛋白产生短链脂肪酸(SCFAs),维持肠道环境稳态。在小鼠和人类身上,嗜黏蛋白阿克曼菌的丰度在肥胖和相关代谢疾病中显著降低,与体重、脂肪量呈负相关[10]。梭菌属的Ⅳ菌簇被认为是肠道病理发展的生物标志物。普拉梭菌是该菌簇的代表菌种之一,与机体摄入能量过度而导致肥胖密切相关[11]。肥胖小鼠中,肠道中普拉梭菌丰度的降低与内脏脂肪的增加显著相关[12]。

3 肠道微生物调控宿主脂质代谢

3.1 脂质吸收相较于正常小鼠,无菌小鼠具有更高的粪便脂质含量和排泄量,并且门静脉甘油三酯水平降低,表明肠道菌群参与宿主肠道中脂质吸收过程。研究表明,以鼠李糖乳杆菌(LactobacillusrhamnosusGG)、双酶梭菌(Clostridiumbifermentans)为代表的肠道菌群间接参与消化道中的脂质吸收[13],该过程由微生物-宿主相互作用产生的生物活性物质介导[13]。例如,双酶梭菌产生的可溶性生物活性分子能够提高二酰基甘油酰基转移酶2(diacylgycerol acyltransferase 2,DGAT2)的表达[13],从而促进油酸的摄取和甘油三酯的合成。

肠道菌群在不仅能够调节肠道中脂质吸收与排泄,还能够影响宿主体内其他器官的功能。进食时,位于小肠近端的内分泌细胞释放胆囊素(cholecystokinin,CCK),CCK刺激胆囊的释放胆汁,增强肠道内脂肪乳化从而促进脂肪吸收。研究表明,无菌小鼠脂质吸收的减少与CCK信号转导途径介导的胰腺刺激的破坏相关,而灌胃多形拟杆菌和鼠李糖乳杆菌GG后,无菌小鼠胰腺中CCK的A型受体表达增加[14]。此外,肠菌的缺失导致WAT中禁食诱导脂肪因子(fasting-induced adipose factor,FIAF)表达增加,从而抑制脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase,LPL)活性,致使WAT脂质储存增加[15]。

3.2 脂质氧化肠菌代谢物在调控宿主脂质代谢信号传导中发挥重要作用。在禁食状态下,肠菌代谢物通过宿主门静脉到达肝脏,增加过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator-activated receptors,PPARα)的表达,从而促进酮体的产生,加强脂肪酸β氧化[16],进一步研究表明乳酸杆菌丰度的增加促进了该过程[17]。研究表明,SCFAs能够激活单磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinas,AMPK)信号通路,增加脂肪组织和骨骼肌中过氧化物酶体增殖激活受体γ辅助激活因子α(peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator-α,PGC-1α)的表达[18]。PGC-1α调节脂质氧化相关转录因子的活性,包括过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptors,PPAR)家族,例如PPAR家族的α和γ亚型。

3.3 脂解作用肠道菌群通过肠菌代谢物参与宿主脂解作用的调节。SCFAs介导的短链脂肪酸受体43(G protein-coupled receptor 43,GPR43)的激活能够减少细胞内脂质溢出,促进激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL)和脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)的表达,从而促进脂解作用[19]。乙酸盐和丙酸盐对GPR43表现出高亲和力。研究表明,体外生理浓度内的乙酸盐和丙酸盐能够通过GPR43的激活来抑制3T3-L1脂肪细胞脂解,而丁酸盐通过激活GPR41抑制脂肪分解[20]。

4 肠道微生物代谢物参与脂质代谢过程

肠道菌群代谢物包括SCFAs、次级胆汁酸、吲哚类物质、支链氨基酸(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。近年来,研究的热点集中在SCFAs、BAs对宿主脂质代谢的调控作用及其潜在机制。

4.1 短链脂肪酸SCFAs由肠道微生物群在宿主的结肠和盲肠中合成,是具有2～6个碳原子的有机脂肪酸,包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。丙酸盐由拟杆菌门产生,是肝脏中糖异生的底物。乙酸盐来自大多数厌氧菌,而丁酸盐主要由厚壁菌门产生,两者在结肠上皮细胞中转化为乙酰辅酶A[21]。乙酰辅酶A不仅可以进入三羧酸循环产生能量,还可以在胞质酶系统的作用下产生棕榈酸,棕榈酸可以转移到线粒体延长碳链,与脂肪组织中储存的其他物质形成甘油三酯。此外,乙酸盐也作为棕榈酸盐和硬脂酸盐合成的前体参与肝脏脂肪酸的代谢[22]。

SCFAs不仅作为脂质、能量代谢的底物,也可作为调节因子来调节宿主的生理代谢。SCFAs在调节食欲、脂肪生成、脂肪酸氧化、肝脏糖异生、WAT褐变,以及维持肠道环境的稳态方面发挥着重要作用[23],其调控机制主要取决于两条途径[24]。一条途径是SCFAs直接抑制组蛋白脱乙酰酶(his-tone deacetylases,HDACs),影响一些非组蛋白的乙酰化修饰,调节细胞内信号转导,从而调控脂肪组织的产热作用和肥胖的发生发展。另一条途径是激活G蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptor,GPCR)进行信号转导[25]。例如,丁酸通过激活GPCR促进脂肪细胞分泌瘦素,而乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐可与表达于肠内分泌L细胞的G蛋白偶联受体GPCR-41和GPCR-43结合,促进胰高血糖素样肽-1(glucagon like peptide-1,GLP-1)和肽YY(peptide YY,PYY)分泌,从而影响食欲和能量的摄入[26]。此外,SCFAs通过GPR43激活促进游离脂肪酸的合成,导致循环单不饱和脂肪酸增加和多不饱和脂肪酸减少[27]。

4.2 胆汁酸BAs是肠道菌群的另一主要代谢产物。在肝脏中,初级BAs由胆固醇7α-羟化酶介导的经典途径合成,由胆汁排出至肠道。肠道菌群可通过一系列去结合、差向异构和脱羟基等作用,将初级BAs与甘氨酸(人)或牛磺酸(小鼠)结合,合成次级BAs。

胆汁酸参与宿主脂质代谢的调节,主要通过以下两个方式。一方面,胆汁酸在肠道中通过乳化作用促进小肠中脂质的有效水解和吸收[28]。另一方面,BAs参与代谢网络中的信号通路的调控,在肝脏脂质代谢过程中发挥关键作用。普遍认为,BAs能够通过FXR-SHP途径下调固醇调节元件结合蛋白1c(sterol regulatory element binding protein 1 c,SREBP1c)的表达,抑制脂质合成,同时刺激BAs-FXR-PPARα途径并促进脂肪酸氧化,调节肝脏脂肪酸和甘油三酯生物合成。最近的研究表明,次级BAs也能够通过1-磷酸-鞘氨醇受体2(sphingosine-1-phosphate receptor 2,S1PR2)-鞘氨醇激酶(sphingosine kinase 2,Sphk2)途径调节参与肝脏脂质和葡萄糖代谢相关酶的基因表达[29]。此外,BAs通过下调肝脏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)的表达降低肝脏的糖异生作用[30],以及通过FGF15/19依赖性途径降低肝脏糖酵解基因的表达,促进肝糖原合成。

LCA和脱氧胆酸(deoxychlolic acid,DCA)是G蛋白偶联胆汁酸受体5(G protein-coupled bile acid receptor 5,TGR5)的激动剂。肠内分泌L细胞中TGR5信号的激活提高了细胞内cAMP水平,能够诱导释放GLP-1,从而改善肥胖小鼠肝脏和胰腺的功能,对脂质合成和储存有潜在影响[31]。TGR5诱导环腺苷酸依赖性碘甲腺原氨酸脱碘酶(iodothyronine deiodinase 2,D2)的表达。随后,D2将四碘甲状腺原氨酸(tetraildothyonine,T4)转化为三碘甲状腺原氨酸(triiodothyronine,T3),T3进一步诱导脂肪组织解偶联蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)的表达[32],提高脂肪组织产热。同样,在骨骼肌和棕色脂肪组织中,TGR5的激活也能够促进宿主能量消耗[33]。此外,BAs还参与下丘脑介导的TGR5信号识别,通过激活交感神经系统,降低体重和脂肪量,促进能量平衡,从而缓解饮食诱导肥胖。

4.3 氧化三甲胺TMAO来源于富含三甲胺的膳食营养物,如L-肉碱、胆碱和甜菜碱等。上述营养物经奇异变形杆菌、大肠杆菌MS69-1和克雷伯氏菌属等肠道细菌代谢产生三甲胺(trimethylamine,TMA),TMA通过门静脉循环进入肝脏,并由含黄素单加氧酶-3(flavin-containing monooxygenase 3,FMO3)转化为TMAO。血清TMAO水平与BMI,身体总脂肪百分比显著相关,且存在剂量依赖性关系[34]。因此,血清TMAO水平有助于提示患者的肥胖风险。然而,饮食中添加TMAO对高脂肪饮食喂养的小鼠的脂肪积累没有显著影响。因此,TMAO参与肥胖发生发展的机制仍待进一步阐明。

4.4 其他代谢物吲哚衍生物、SCAAs等其他肠道菌群代谢物也参与到宿主的代谢调节,通过从而改善宿主肥胖。吲哚类物质由肠菌代谢色氨酸产生。肥胖症期间,吲哚衍生物降低,导致WAT中miR-181增加[35]。吲哚给药能够减少WAT中的miR-181,并改善饮食诱导的肥胖[36]。SCAAs包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸[37],研究表明BCAAs循环水平的增加与胰岛素抵抗有关[38],但其在胰岛素抵抗中的病理生理学机制尚未完全阐明。

5 展望

肠道菌群通过代谢产物调控宿主脂质吸收、脂质氧化、脂解等相关代谢过程的表达,从而改善肥胖症中脂质代谢紊乱。肠道菌群作为干预和治疗肥胖的靶点,具备良好的研究前景。然而,在肥胖发生发展的进程中,肠道菌群中种水平上生物标志物参与调节宿主脂质代谢的作用机制尚不明确,肠菌的相互作用关系仍有待进一步研究。