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2022年2月，比利时鲁汶大学Patrice D Cani团队在Gut期刊发表了题为“Gut microbiome and health: mechanistic insights”的文章。该综述讨论了肠道细菌与疾病保护或发病有因果关系的多种分子机制，这为了解肠道菌群与健康之间的复杂性和分子机制将有助于为已开发的新疗法奠定基础。
编译：微科盟小木，编辑：微科盟小编、江舜尧。 导读肠道微生物群被认为是调节宿主健康的关键因素之一。事实上，我们身体的所有部位都被微生物占据，这表明我们的器官之间存在着不同类型的相互作用。由于分子工具和技术(如宏基因组学、代谢组学、脂质组学、宏转录组学)的发展，宿主和不同微生物之间发生的复杂相互作用正逐步被破译。目前，肠道微生物群失调与许多疾病有关，如肥胖、2型糖尿病、肝脂肪变性、肠道疾病(IBDs)和几种癌症。因此，这表明参与免疫、能量、脂质和糖代谢的多种途径受到影响。 本篇综述特别注意对该领域当前理解的批判性评估。讨论了解释肠道细菌如何与疾病的保护或发病有因果关系的多种分子机制。我们研究了成熟的代谢物(如短链脂肪酸、胆汁酸、氧化三甲胺)，并将其扩展到最近发现的分子作用因子(如内源性大麻素、生物活性脂质、酚类衍生化合物、晚期糖基化终产物和enterosynes)及其特定受体，如过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)和γ(PPARγ)、芳香烃受体(AhR)和G蛋白偶联受体(如GPR41、GPR43、GPR119、TGR5)。总之，了解肠道微生物与健康之间联系的复杂性和分子方面将有助于为已开发的新疗法奠定基础。 原名：Gut microbiome and health: mechanistic insights 译名：肠道微生物群与健康：机制见解 期刊：Gut IF：23.059
发表时间：2022.2 通讯作者：Patrice D Cani 通讯作者单位：比利时鲁汶大学代谢和营养研究组(MNUT)，鲁汶药物研究所(LDRI) DOI号：10.1136/gutjnl-2021-326789 1 人类肠道微生物群 2 肠道微生物群和各种肠道及肠道外疾病 3 肠道微生物和代谢紊乱:分子因素 3.1 短链脂肪酸及其对宿主健康的影响:分子机制 3.2 脂多糖/病原体相关分子模式 3.3 生物活性脂质 3.3.1 内源性大麻素系统 3.3.2 胆汁酸 3.4 芳香烃受体:与能量代谢、炎症和肠道微生物群有关 3.5 关键细菌及其特定分子 3.6 新发现的分子对健康的影响及其目标 4 结论与观点 人类的微生物群被认为是微生物的集合，其基因和产物自出生以来就在我们的身体上定居，并垂直转移。虽然所有身体部位都被微生物定殖(图1)，但在肠道中发现的微生物数量最多，这已被广泛研究。在本文中，我们回顾了主要的和最新的发现，这些发现涉及肠道微生物、它们的活动和介质分子对我们健康的贡献。健康受试者口腔和唾液微生物群包含数以百万计的微生物，这些微生物每天与我们的食物一起被吞食，但它们在肠道中的持久性受到许多因素的阻碍，如胃酸度，胆汁酸(BAs)的生产、消化酶和十二指肠内外的抗菌蛋白。许多其他主要变量会影响下游微生物的定殖，如化学参数，包括pH值、氧浓度和氧化还原电位、粘液、胆汁和抗体的生物产生，以及物理方面，包括肠道结构、蠕动和转运时间(图1)。因此，沿着小肠发现了微生物的浓度梯度，在十二指肠抽吸物中发现的微生物丰度比口腔样本低1000倍，尽管其组成的微生物类群有些相似。因此，小肠中每克内容物含有数千到数亿个细胞，其中部分耐氧的厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)是主要的门。这一切都在下消化道达到顶峰，每克多达1000亿个细胞的顶极群落最多可以驻留几天，因为结肠中的转运时间比在小肠中的转运时间要长十几倍。因此，结肠微生物群主要以厌氧细菌为主，包括数千种细菌和数百万个基因，主要分布在厚壁菌门(主要是瘤胃球菌科Ruminococcaceae和毛螺菌科Lachnospiraceae)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)和疣微菌门Verrucomicrobia(阿克曼氏菌属Akkermansia)中(图1)。作为粪便排出的这种生物量构成了通常被称为肠道微生物群的物质，其与多种疾病相关，并且可以通过饮食和药物进行高度调节(表1)。它为粪便微生物群移植(FMT)提供了初始材料，该移植已被证明可以治愈复发性艰难梭菌感染(Clostridioides difficile)和其他疾病的患者。重要的是要注意，我们可以没有结肠但不能没有小肠，小肠具有身体最大的粘膜表面，食物被进一步消化和吸收，含有大部分肠道受体、免疫细胞和神经细胞，并且越来越多地隐含在基本的微生物-宿主相互作用中。虽然很难通过实验来实现，但近年来已经发展出了多种新技术，包括用于取样、输送或检查的导管或胶囊。此外，研究人员研究了从回肠造口术中获得的小肠排出物，发现每克(湿重)含有多达1亿个微生物，这些微生物形成了个性化的群落，显示出昼夜节律，反映了食物的摄入和加工过程。对这些样本的功能(转录组学和靶向代谢组学)和宏基因组学分析显示，定殖的链球菌(Streptococcus)和乳杆菌(Lactobacillus spp.)表达了一个巨大的高效运输系统库，这些系统与宿主竞争糖的摄取和利用，产生乳酸盐和乙酸盐，它们是韦荣球菌(Veillonella spp.)的底物，并随后转化为丙酸盐。最近的研究使用专门开发的导管证实了这些群落，并揭示了与空肠相比，十二指肠微生物群表现出更高的与pH值相关的组成动态，空肠是表面最大的肠腔室，负责大部分糖、蛋白质和脂质的消化和吸收。虽然十二指肠和空肠之间有一个连续体，但较近端的回肠有一个大的粘液层，让人联想到结肠，并且定殖了几种厌氧菌(包括Bacteroidia、Ruminococcaceae和Lachnospiraceae的物种)，其中一些也隐含在BAs转化(参见生物活性脂质/胆汁酸部分)。
图1 不同身体部位的细菌总丰度。不同器官中细菌数量的界限，由细菌浓度和体积得出。十二指肠及其微生物已成为各种代谢性疾病和可能的免疫疾病的主要因素。这一观点得到了支持，并进一步从十二指肠输送FMT中获得了新见解，FMT缓解了代谢综合征或自身免疫性疾病的症状。此外，已发现活或灭活乳杆菌(Lactobacillus spp.)的十二指肠灌注会影响宿主的免疫反应，为人类研究提供了一个实验系统。最近，这项技术被用于分析单剂量的Anaerobutyricum soehngenii(以前称为Eubacterium hallii)，其使再生胰岛蛋白1B基因在十二指肠的表达水平增加了近10倍，还增加了代谢综合征受试者的血清胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和次级胆汁盐，这可能解释了他们对葡萄糖反应的改善。虽然在肠道中存在明显的垂直梯度，但也存在水平梯度，并且在结肠中的研究最为广泛。重要的是，存在氧气、氧化还原和黏液梯度，这些梯度从粘膜表面开始，延伸到腔内，从而形成微生物群落的结构。从广义上讲，它们始于粘液降解菌群，通常由粘液分解菌和微需氧菌嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila)主导，并以严格厌氧菌群结束，包括产丁酸菌和产丙酸菌Ruminococcaceae、Lachnospiraceae和Bacteroidia，以及分别将氢和二氧化碳转化为乙酸盐或甲烷的同型产乙酸菌和产甲烷菌。表1 PubMed列出的关于“微生物组和疾病”主题的文章
肠道微生物群与几种肠道和肠道外疾病有关。许多关于肠道微生物群及其相关性的大型研究已经在特定的胃肠道疾病(GI)中进行，如肠道疾病(IBDs)、乳糜泻疾病、肠易激综合征(IBS)、结直肠癌(CRC)、慢性肝病或胰腺病变。IBDs是典型的炎症性肠道疾病，与肠道微生物组成的偏离有关，事实上，兼性厌氧菌的生长已有报道，特别是在炎症和代谢紊乱的情况下，包括BAs、短链脂肪酸(SCFAs)和酰基肉碱途径。对乳糜泻(另一种常见的炎症性肠道疾病)风险婴儿的纵向分析表明，几种微生物种类(如Dialister invisus、Parabacteroides spp.或Lachnospiraceae)和某些代谢产物(如色氨酸代谢物)的存在增加，而多种抗炎菌株如Faecalibacterium prausnitzii或Clostridium clostridiforme减少。肠易激综合征(IBS)是一种常见的胃肠道功能紊乱，与IBS亚型中肠道微生物群和相关代谢物的特异性变化有关，其中嘌呤代谢受到的影响尤为明显。CRC是下消化道最常见的恶性肿瘤，与肠道微生物群失调有关，并涉及某些细菌，如具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)、大肠杆菌(Escherichia coli)或脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)，其中一些来自口腔微生物群。慢性肝病，特别是肝硬化等晚期肝病，其特点是存在严重的微生物畸变。益生元、益生菌和抗生素的干预研究数据已经证实，肠道微生物群在这些疾病中发挥着关键作用。胰腺癌是西方国家日益认识到的一种恶性肿瘤，由于肿瘤内微生物群的组成影响宿主免疫反应和疾病的自然史，因此也与肠道微生物组受损有关。在过去的几年里，在肥胖和肥胖相关疾病如2型糖尿病(T2D)和非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)中肠道微生物群已得到了广泛研究。许多研究试图将肠道微生物群的改变与肥胖联系起来，实际上，对某些细菌菌株(如Akkermansia muciniphila)的干预研究显示，它们对肥胖相关参数有影响。在亚洲和欧洲人群中，T2D的特征是肠道微生物群受损。在T2D中，微生物变化与胰岛素抵抗的存在密切相关，多项研究表明肠道微生物群影响葡萄糖调节。NAFLD是目前西方国家最常见的慢性肝病，被认为是肥胖、代谢综合征和T2D之间的一种典型代谢紊乱。越来越多的证据表明，肠道微生物-肝轴在NAFLD中发挥了作用，特别是在纤维化和向更晚期疾病发展的病例中，如非酒精性肝脂肪变性。现有几项研究已经证明，NAFLD的特征是某些肠杆菌科细菌、大肠杆菌的大量繁殖和F. prausnitzii的减少。最近的数据还表明，在NAFLD中，微生物群偏差和不稳定性可能存在多年，甚至可能先于NAFLD和T2D的发展。对越来越多的胃肠道和代谢性疾病的肠道微生物群进行了研究(见表1的概述)。
图2 由肠道微生物根据营养或代谢来源及其衍生化合物产生的分子和代谢物。BSCFA，支链SCFA；LPS，脂多糖；PAMPs，病原体相关分子模式；SCFA，短链脂肪酸。肠道微生物群在代谢紊乱的多个方面发挥着重要的调节作用。除其他因素外，这种调节依赖于微生物群产生的各种各样的代谢物，以及它们与宿主细胞上的受体之间的相互作用，这些受体可以激活或抑制信号通路，对宿主的健康有利或有害(图2)。参与这些相互作用的细菌代谢物非常多样化，从小分子到大分子都有。它们包括细菌代谢的副产物，如短链脂肪酸，以及细菌完整性所必需的复杂大分子，如肽聚糖和脂多糖(LPS)(图2)。这些代谢物的丰度和可用性取决于微生物组成，因此受饮食和环境因素的调节。下面讨论主要的分子因素。小肠专门负责营养物质的分解、乳化和吸收，很少有营养物质会逃过消化。例如，在正常情况下，每天有＜5克脂肪到达结肠。同样的原理也适用于简单碳水化合物(分解成糖分子)和大多数蛋白质(转化成氨基酸)的消化和吸收，虽然根据摄入量的多少，有些蛋白质会到达结肠。相反，复杂碳水化合物，如膳食纤维是不可消化的，这意味着人体缺乏消化它们所需的酶，从而使它们逃过小肠的消化。然而，在结肠中，它们可以被特定的寄居细菌用作能量来源。不同的肠道微生物将这些不可消化的碳水化合物代谢为不同的短链脂肪酸分子(如乙酸、丁酸和丙酸)。SCFAs具有良好的化学特性，其对健康的影响已被广泛记录。这些化合物调节肠道和远端(如肝脏、脂肪组织、肌肉和大脑)的许多代谢途径(图3)。这些微生物代谢产物被认为有助于许多生理作用，如调节能量稳态、糖/脂代谢、炎症甚至免疫和癌症。通过一系列的实验研究，人们发现了富含可发酵膳食纤维(如益生元)的饮食能够减少体重增加、脂肪量增加、胰岛素抵抗和能量摄入的许多分子机制。其中，研究发现使用益生元调节肠道微生物群可导致L细胞产生的几种肠道肽(如GLP-1、GLP-2和PYY)的内源性产生(即mRNA和肽)和门静脉分泌增加。这些效应不仅限于一种可发酵的碳水化合物，因为微生物将抗性淀粉或阿拉伯木聚糖发酵成SCFAs会产生与血浆GLP-1和PYY水平增加相关的类似生理效应。然而，可发酵纤维的化学结构与SCFA的产生状况直接相关，因为产生的丁酸、乙酸或丙酸的数量将取决于纤维的类型。例如，菊粉被描述为丙酸源性淀粉，而抗性淀粉则更具丁酸源性。值得注意的是，一些结肠细菌也利用其他途径从氨基酸(如赖氨酸)或植物化合物(如植酸)中产生丁酸。值得注意的是，SCFAs的来源是饮食，它们可以通过覆盖肠上皮细胞的肠黏液发酵而来源于宿主本身。SCFAs通过作用于肠内分泌L细胞表面表达的特异性G蛋白偶联受体来刺激肠道肽的分泌，这些受体在回肠末端和结肠中特别丰富。这些受体被命名为G蛋白偶联受体(GPR)43(或游离脂肪酸受体2(FFAR2))和GPR41(或FFAR3)(图4)，也在多种组织和细胞类型(如脂肪细胞、免疫细胞)中表达。通过使用缺乏GPR43或GPR41的小鼠模型，已阐明微生物群对肠道肽分泌的关键作用。缺乏这些受体的小鼠暴露于SCFAs或特定的益生元后，GLP-1和PYY的分泌减少(图3)。除了众所周知的作用和作用机制外，一些SCFAs还可能发挥不同于以往所认为的功能。例如，丁酸盐被多次描述为结肠细胞增殖和维持肠道屏障的基本能量来源。然而，最近的证据表明，丁酸盐也通过与结肠细胞的通讯强烈地影响微生物环境。实际上，与肠杆菌科(变形菌门)等兼性厌氧菌相反，厌氧菌保持在上皮附近的关键要求是肠腔部分的氧含量丰富，且其向上皮的浓度逐渐降低，已被证明会增加肠道炎症的风险(图3)。丁酸有助于通过激活线粒体中的β氧化来控制结肠中的厌氧条件。丁酸盐通过激活结肠细胞中的核受体过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)来限制氧气从结肠细胞向腔内扩散，从而维持无氧状态。PPARγ的激活也抑制了编码诱导型一氧化氮合酶的基因的表达，从而减少了NO的产生，并最终降低了腔内硝酸盐水平，而这些是致病性兼性厌氧菌(肠杆菌科)增殖所利用的特定能量来源(图3)。在患有严重肠道炎症的人群中也进行了类似的观察，如IBD、癌症、肥胖症和糖尿病患者，在这些患者中检测到肠杆菌科细菌数量增加。令人惊讶的是，许多论文都指出，所有这些疾病都与产生SCFAs(主要是丙酸和丁酸)的细菌数量减少有关。例如，细菌F. prausnitzii、A. muciniphila和Dysosmobacter welbionis。Anaerostipes和Anaerobutyricum spp.通过乙酰辅酶A途径在乙酸存在的情况下从乳酸中生成丁酸盐。这些可以在小肠和结肠中形成营养链，各种细菌在结肠中产生乳酸。乳酸在肠道环境中的积累导致胃肠道疾病，这可能解释了在代谢综合征受试者中采用丁酸菌A. soehngenii干预的一些益处。除丙酸和丁酸外，还研究了琥珀酸盐的影响。琥珀酸是Krebs循环的中间产物，被认为是线粒体氧化磷酸化的底物，但也是细菌的代谢产物。在这方面，琥珀酸盐由于被认为是合成丙酸盐的主要中间体而被忽略。目前，琥珀酸盐的作用在很大程度上仍存在争议，因为有报道称琥珀酸盐与胰岛素抵抗、肥胖和炎症之间既有有益的联系，也有不利的关联。
图3 健康和病理状态下肠道微生物群与宿主健康关联的分子机制。在健康状态下，结肠细胞通过线粒体内的β-氧化将丁酸作为能量底物，消耗氧气，并直接有助于维持腔内的厌氧状态。丁酸盐还与过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)结合，进而抑制诱导型一氧化氮合酶(iNOS)，降低一氧化氮生成(NO)，并最终降低硝酸盐生成。反之，在病理情况下，管腔中低丁酸含量与PPARγ活性降低、糖酵解增加和耗氧量降低有关。这与较高的iNOS表达有关，iNOS反过来产生更多的NO，并最终增加特定病原体的硝酸盐可用性。丁酸盐还可以刺激免疫细胞(如调节性T细胞(Treg))以减少炎症。核转录因子芳香烃受体(AhR)在健康的结肠细胞中高度表达和激活，而AhR的激动剂降低或降低AhR活性可导致肠道屏障功能的改变。肠内分泌细胞(L细胞)表达短链脂肪酸(SCFAs)、特异性内源性大麻素(eCBs)和胆汁酸(BAs)激活的几种关键受体。激活这些受体会增加肠道关键肽的分泌，如胰高血糖素样肽(GLP)-1、GLP-2和PYY。总之，肠道微生物与这些分子的相互作用有助于降低肠道通透性，提高胰岛素分泌和胰岛素敏感性，减少食物摄入，降低血浆脂质，避免肝脏脂肪变性和代谢性内毒素血症。所有这些作用都与降低炎症有关。相反，在病理情况下观察到相反的作用。肠道屏障是一个复杂和动态的物理和化学结构的集合，监视环境和保护宿主免受微生物入侵和有害刺激。一些来自环境的有害成分是所谓的病原体相关分子模式(PAMPs)，其中细菌LPS是典型类别。LPS是在革兰氏阴性菌细胞膜上发现的内毒素，是炎症反应的有效激活剂，即使少量LPS释放到循环中也足以引起炎症反应。LPS和其他PAMPs通过激活特异性模式识别受体(PRRs)发挥其活性，该受体感知微生物和感染源，并发出防御反应的信号。PRRs主要有四个亚家族：toll样受体(TLRs)、核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列(LRR)的受体、视黄酸诱导基因1(RIG-1)样受体(又名RIG-1样解旋酶)和C型凝集素受体。在这些受体中，TLRs是特性最好的受体，人类中有10个受体家族成员(小鼠中有13个)。每一种TLRs都介导对来自病原体的不同微生物成分的反应。两个典型的例子是TLR2(感知细菌脂蛋白)和TLR4(识别细菌LPS)。TLRs共同涵盖了广泛的外部刺激(PAMPs)和来自组织损伤的内部信号(损伤相关分子模式(DAMPs))(图3和4)。这些配体有多种形式和大小：从核酸到脂类，从小化合物到大分子。TLRs广泛分布于巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞、自然杀伤细胞、肥大细胞、嗜碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞等免疫细胞中，也存在于肠上皮细胞等其他机体细胞中。它们的激活可诱导抗原呈递细胞的激活，从而连接先天性免疫反应和适应性免疫反应，并刺激信号级联反应，试图抵御微生物入侵者或修复受损组织。尽管这种炎症反应是消除感染所必需的，但TLRs的过度激活会导致免疫稳态的破坏，持续的促炎细胞因子和趋化因子的产生会增加炎症性疾病和自身免疫性疾病的风险。代谢性内毒素血症就是这种情况，在这种情况下，高脂肪饮食和体重增加与较高的肠道通透性以及随后的全身(轻度)循环血浆LPS升高有关。这导致轻度炎症状态，这是一系列慢性疾病的病理特征，包括T2D、NAFLD、慢性肾病和动脉粥样硬化。有趣的是，不同类型细菌的LPS对肠道屏障功能、脂肪炎症、肠道葡萄糖吸收、血糖、胰岛素和肠促胰岛素的影响不同，表明代谢内毒素水平对宿主代谢的净影响可能因肠道微生物群组成的功能而异。PRRs表达的破坏与有利于炎症的微生物群组成的改变有关。例如，TLR5被细菌鞭毛蛋白激活，缺乏TLR5的小鼠会出现结肠炎或代谢综合征，这与微生物群的改变有关。下游信号通路的TLR激活已被证明依赖于髓样分化因子88蛋白(MyD88)(图4)。除TLR3外，MyD88是所有TLRs的基本衔接蛋白，肠道中缺失MyD88可以部分预防饮食诱导的肥胖、糖尿病和炎症，并增加抗炎内源性大麻素(eCBs)，在饮食诱导肥胖期间恢复抗菌肽的产生和增加肠道调节性T细胞。虽然在我们全面了解PAMS/DAMPS、PRRs、微生物群和疾病状态如何相互作用之前还有许多问题有待回答，但我们对这种复杂相互作用的日益了解，为炎症依赖性疾病打开了新的治疗可能性。在过去20年里，eCB系统因其广泛的生理效应而受到广泛探索。在其多效性作用中，eCB信号系统似乎在调节能量、葡萄糖和脂质代谢、免疫、炎症以及最近的微生物群-宿主相互作用中发挥关键作用。历史上，第一个内源性大麻素1型受体(CB1)是在1988年被Δ9-四氢大麻酚激活的，随后在1993年发现了第二个受体，即大麻素2型受体(CB2)。这两种受体都是GPRs，具有共同的信号传导机制。第一个确定的内源性激动剂是N-花生四烯酰乙醇胺(AEA)。AEA是N-酰基乙醇胺(NAE)家族中一大类具有生物活性脂质的重要成员之一。确定的第二个关键配体是2-花生四烯酰基甘油(2-AG)。自发现这两种主要化合物以来，eCB家族已经扩大，不再局限于仅对CB1和CB2受体具有特异活性的eCB。例如，一些eCB还与PPARα和PPARγ以及其他膜受体(如GPR55或瞬时受体电位香草酸亚型1(TRPV1))相互作用(图4)。除了所谓的真eCB外，即能够结合CB1和CB2的eCB，许多与原型eCB结构相似的其他化合物已被证明可以干扰eCB反应，而不直接激活CB1或CB2 eCB受体。所有这些分子都被称为eCB样化合物或同系物，是包括其他NAEs或酰基甘油家族成员在内的具有生物活性的脂质。然而，eCB样化合物也可以发挥其自身的药理活性。例如，N-油酰乙醇胺(OEA)或N-棕榈酰乙醇胺(PEA)可以激活PPARα和TRPV1，而OEA、N-亚麻油酰乙醇胺(LEA)和2-油酰甘油(2-OG)可以激活GPR119。最近的研究表明，1-棕榈酰甘油(1-PG)和2-棕榈酰甘油(2-PG)都是PPARα激动剂(图4)。2010年，研究人员发现，在参与调节肠道屏障功能的代谢系统中，eCB系统起着重要作用。研究首先发现肠道eCB系统在肥胖和糖尿病期间发生改变，AEA含量增加，通过CB1依赖性机制触发肠道通透性。有趣的是，这种eCB系统的改变与肠道微生物群的变化有关。此外，使用有效的eCB激动剂对eCB系统进行药理学激活，可增加脂肪生成并破坏肠道屏障。在一系列独立研究中，肠道微生物群、脂肪组织代谢和eCB系统之间的联系已得到证实，因为遗传性肥胖和糖尿病小鼠(ob/ob和db/db)的肠道微生物群组成发生了深刻的变化，这与全身组织代谢和eCB系统的改变有关。综上所述，这些数据有力地支持了属于eCB系统的特定生物活性脂质与肠道微生物群、脂肪组织的发育和肠道功能之间的联系。为了进一步探索潜在机制并证明这些NAE的合成是否可能参与代谢紊乱的发生和肠道微生物群的变化，已经建立了几种小鼠模型，其中N-酰基磷酰乙醇胺-水解特异性磷脂酶D(NAPE-PLD)是一种关键的合成酶，已在脂肪细胞、肠上皮细胞或肝细胞中失活。脂肪细胞中缺乏NAPE-PLD的小鼠在正常热量饮食下自发地发展为肥胖、胰岛素抵抗和炎症，并且对高脂肪饮食诱导的代谢紊乱更为敏感。脂肪细胞特异性缺失的NAPE-PLD降低了脂肪组织中的产热程序(即褐变/变黄)，并导致肠道微生物群组成发生深刻变化。此外，将脂肪组织NAPE-PLD缺失小鼠的微生物群转移到无菌受体小鼠中，复制了整体的表型，表明肠道微生物群的因果作用。当在肠上皮细胞中去除NAPE-PLD时，出现了不同的表型。小鼠在第一次接触高脂肪饮食时就变得暴饮暴食，然后发展为饮食诱导的肥胖和肝脏脂肪变性。从机制上讲，这归因于肠-脑轴的缺陷，因为发现了下丘脑Pomc神经元的改变，这可能由肠道和血浆eCB的改变来解释。值得注意的是，在这个模型中，肠道微生物群也受到影响，调节微生物群可以部分恢复表型。在最后一个模型中，肝细胞中缺失NAPE-PLD的小鼠在正常饮食下出现高脂肪饮食样表型(即脂肪增加、肝脏脂肪变性、肝脏炎症)。这些影响与已知受肠道微生物群影响的其他关键生物活性脂质的变化有关，如BAs。总的来说，所有这些数据和动物模型都表明，eCB系统通过NAPE-PLD，通过生物活性脂质的产生与肠道微生物群对话，而这种酶的任何失调都可能导致代谢并发症。为了进一步探索肠道微生物群与eCB系统调控之间的潜在联系，研究人员将无菌小鼠与常规小鼠在不同时间点的eCBome进行了比较。eCBome是eCB系统的延伸，该系统由50多个受体和代谢酶以及＞20个具有重要功能的脂质介质组成。研究发现肠道eCBome基因表达和脂质介质水平的年龄依赖性改变。令人惊讶的是，将对照组小鼠的粪便物质移植到年龄匹配的无菌小鼠中，仅仅一周后，这些改变就逆转了。总之，这组研究表明，肠道微生物群直接影响宿主eCBome。综上，所有的证据都指向宿主的eCB系统和肠道微生物群之间的双向相互作用。然而，需要进一步的调查来解开这种联系的许多谜团。更复杂的是，最近有研究表明，肠道微生物群本身能够产生特定的eCBs。这为探索微生物群-宿主相互作用开辟了新的机会，并提供了几个新的假定治疗靶点。
图4 结肠细胞和内分泌细胞表达多种受体，能够感知和传递来自微生物环境的信号。微生物/病原体相关分子模式(PAMPs)，来自微生物群的脂多糖(LPS)是由模式识别受体检测的，包括toll样受体(TLRs)。Amuc_1100是Akkermansia muciniphila外膜上表达的一种蛋白，已被证明通过TLR2信号改善肠道屏障功能，减少炎症。某些微生物分泌的代谢产物(如内源性大麻素(eCBs))，由微生物消化膳食成分(如短链脂肪酸(SCFAs))或通过转化宿主衍生因子(如eCBs和胆汁酸)产生，可通过各种受体和途径感知，从而改变肠道完整性和宿主健康。CB1,CB2，大麻素受体1型和2型；TRPV1，瞬时受体电位阳离子通道亚家族V成员1；FXR，法尼酯X受体；AhR，芳香烃受体；GPR119、GPR43、GPR41，G蛋白偶联受体119、43、41；MYD88，髓样分化因子88；PPARα/γ，过氧化物酶体增殖物激活受体；TGR5，G蛋白偶联受体5。初级BAs，如人类的胆酸(CA)和鹅去氧胆酸(CDCA)(以及啮齿动物的鼠胆酸(MCA))，是由胆固醇在肝脏中合成的两亲性分子。它们在分泌成胆汁和储存在胆囊之前可以与甘氨酸或牛磺酸结合。当食物被摄取时，BAs被释放到小肠，在那里它们帮助消化和吸收膳食脂肪。大约95%的肠道BAs会在回肠被重吸收，然后返回肝脏进行再分泌。BAs的肠肝循环一天发生多次，是维持机体血糖、脂质和能量稳态，预防高血糖、血脂异常和肥胖的重要生理机制，并对消化系统和心血管系统的炎症性代谢疾病具有保护作用。只有一小部分BAs会逃出这个高效的循环到达结肠。然后这些BAs被被动地重新吸收进入循环或通过粪便排出。BAs的损失可通过肝脏的从头合成得到补偿，肝脏的从头合成受人类小肠信号通路中的成纤维细胞生长因子19(FGF19)调节(啮齿类动物中的FGF15)。虽然BAs的主要功能是调节胆固醇、甘油三酯和脂溶性维生素的消化和吸收，但最近人们认识到BAs还具有内分泌功能，因为它们可以作为信号分子。此外，BAs通过激活多种受体调控上皮细胞增殖、基因表达、脂质、葡萄糖和能量代谢。这些受体是维生素D受体、孕烷X受体、组成雄烷受体、法恩素X受体和G蛋白偶联胆汁酸受体-1(也称为武田G蛋白偶联受体5 (TGR5))(图4)。这些受体存在于肝脏、肠道、肌肉、褐色脂肪组织、中枢和外周神经系统等许多组织中，介导信号级联反应，激活参与BA、脂质和碳水化合物代谢、能量消耗和炎症的基因表达。通过FXR和TGR5受体的信号传导也与GI激素(如PYY和GLP-1)的分泌有关(图3和4)，众所周知，这对维持能量和代谢稳态是不可或缺的。BAs在控制葡萄糖、脂质和能量代谢中的作用之前已经被总结过，因此在此不作详细综述。初级BAs易受到整个肠道的肠道微生物修饰。这些修饰包括通过胆汁盐水解酶(BSH)活性进行解共轭(去除氨基酸残基)，以及通过去除羟基(去羟基化)、氧化(脱氢)或异丙基化进行进一步的代谢。这导致了次级BA的形成，如去氧胆酸、石胆酸和熊去氧胆酸(在人类中是次级BA，但在啮齿动物中是初级BA)。这种细菌代谢改变了BAs的生物利用度和生物活性，从而影响它们所参与的代谢反应。由于它们的信号转导能力以及肠道微生物群对BAs进行化学转化的事实，因此可以将BAs视为微生物衍生的信号转导代谢物。有趣的是，存在一种可以识别的时空模式，因为BAs在食物摄入后释放，然后沿着肠道遇到不同的微生物群。虽然BSH活性由分布在许多系统发育上不同的细菌分支中的多种细菌进行，包括能够定殖小肠的物种，但其他反应被认为更局限于位于肠道远端的更特别的细菌物种。因此，要充分了解肠道微生物群对宿主代谢的作用，有必要研究能够转化BAs的不同细菌的参与情况。最近一项针对百岁老人的研究表明，他们独特的肠道菌群特征可能部分解释了他们通过产生独特的次级BAs而降低了对衰老相关疾病、慢性炎症和传染病的易感性。这意味着通过调节肠道微生物群组成来控制BA是一种对抗疾病的可行方法。3.4 芳香烃受体:与能量代谢、炎症和肠道微生物群有关芳香烃受体(AhR)在脊椎动物细胞中普遍表达，该转录因子在与配体结合后被激活。存在许多AhR配体，包括环境触发因素、营养源信号、各种植物化学物质和细菌代谢物(如色氨酸)(图2)。AhR配体结合导致AhR易位到细胞核中，并与二聚体分子AhR核转运蛋白结合，导致参与免疫和炎症过程的许多基因的转录(图3)。细菌产物和代谢物作为激活剂发挥关键作用，因此，过去几年的几份报告试图弄清楚AhR与肠道微生物群的相互作用(图3和4)。重要的是，这种AhR途径也与能量代谢和代谢综合征有关，因为在代谢综合征中，无论是在临床前还是临床环境中，色氨酸转化为AhR结合衍生物的能力都有所降低。这些研究表明，通过给药乳杆菌菌株，AhR配体的增加可改善代谢功能，同时改善肠道屏障，减少肝脏脂肪变性。Indigo是天然的AhR配体，具有强大的抗炎活性，通过上调乳杆菌菌株和关键的屏障细胞因子白介素(IL)-10和IL-22，保护高脂肪饮食诱导的肥胖和代谢紊乱。微生物色氨酸代谢产物如吲哚-3-乙醇、吲哚-3-丙酮酸和吲哚-3-醛通过影响包括肌球蛋白IIA和ezrin在内的顶端连接复合物的完整性来保护肠道上皮屏障。在实验性酒精性肝病(一种肠道微生物群严重受损的疾病)中，诱导AhR配体和给药6-甲酰基吲哚并(3,2-b)咔唑(Ficz)可改善酒精性肝病。Caspase家族成员9-/-小鼠更易患结肠炎，其微生物群无法将色氨酸代谢为其各自的代谢物。将这种微生物群转移到野生型小鼠中会增加结肠炎，并可通过使用提供大量AhR配体的乳杆菌菌株进行治疗来改善。AhR途径也可能对其他炎症性胃肠道疾病(如乳糜泻)产生重大影响。与非乳糜泻对照受试者相比，乳糜泻患者的肠道中AhR配体产生减少；此外，在表达DQ8(仅携带人类MHC II类DQ8的转基因小鼠)的非肥胖糖尿病小鼠中(高色氨酸饮食)，用Limosilactobacillus reuteri(一种产生大量AhR配体的细菌菌株)治疗或用AhR配体Ficz治疗可减少谷蛋白暴露后的肠道病变。无菌小鼠表现出表皮屏障的分化和修复受损，角化细胞中缺乏AhR的小鼠极易受到皮肤感染和屏障损伤的影响，特定的细菌群定殖恢复了这一屏障。在这个模型中，肠道细菌可能在假定的肠道-皮肤轴中的作用还有待确定。因此，AhR途径反映了微生物群-上皮屏障-代谢和免疫功能界面的原型途径。大多数信号代谢物可以由大量不同的肠道细菌产生，因此特异性有限。然而，不同的细菌可以产生与宿主具有独特相互作用的特定分子(图2-4)。这些已经在病原体中得到了很好的描述，这些病原体可以制造特定的毒素，合成多糖来逃避免疫系统或诱导宿主合成受体，从而使它们能够入侵。然而，最近的研究已经在潜在的共生肠道细菌中发现了新的和独特的宿主信号分子，包括由拟杆菌(Bacteroides spp.)产生的免疫调节多糖和鞘脂以及由肠球菌(Enterococcus spp.)形成的多肽类。形成的一类特殊分子是由同一物种的一个或几个菌株的基因编码的蛋白质。其中一些已被详细研究，通常涉及稳定的或翻译后修饰的蛋白质，它们在分泌或定位细胞膜时有可能与宿主受体相互作用。其中一些来源于已经作为益生菌广泛销售的细菌，如嗜酸乳杆菌(L. acidophilu )NCFM，它可以产生一个大的、可能是糖基化的表面层蛋白信号传递给DC-SIGN受体；鼠李糖乳杆菌GG(L. rhamnosus GG)的90 kDa菌毛蛋白SpaC是一种部分糖基化的黏液结合蛋白，具有向树突状细胞DC-SIGN受体发送信号的能力，以及在一些双歧杆菌(Bifidobacterium spp.)中发现的可促进结肠持久性和上皮增生的菌毛定位Tad蛋白。最近研究的一种蛋白质是大肠杆菌的酪蛋白分解蛋白酶B(ClpB)，它是α-黑素细胞刺激激素的一种抗原模拟蛋白，通过增加血浆GLP-1和PYY的产生来增加饱腹感。ClpB蛋白是众所周知的兼职蛋白，被发现部分由多种细菌分泌，如乳杆菌和双歧杆菌。然而，ClpB的特异性可能没有那么高，因为在人体试验中发现产生ClpB的Hafnia alvei在一定程度上抑制饱腹感。考虑到在一项原理验证的人体试验中，活的和巴氏杀菌的A. muciniphila给药的有效性，最近发现一些来自A. muciniphila的蛋白质具有潜在的信号传递能力也就不足为奇了。最近一种被称为P9的84 kda蛋白(由Amuc_1831基因编码)，口服后发现可诱导小鼠血清GLP-1；体外研究表明，P9与细胞间粘附分子2受体相互作用。最近发现的另一种蛋白是A. muciniphila 50 kda Amuc_1434*蛋白，该蛋白通过肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TRAIL)介导的凋亡通路抑制LS174T细胞的活力。这两种蛋白质都存在于除A. muciniphila外的许多细菌中，两者都被注释为蛋白酶，表明具有酶活性，且两者都没有定位在细胞外，不排除它们的活性需要细胞裂解的可能性。更重要的是，它们的稳定性还没有得到解决，这是有趣的，因为巴氏杀菌的A. muciniphila细胞在人类和小鼠模型中都和活细胞一样有效，甚至比活细胞更有效。所有这些论点都不适用于另一种被发现向TLR2传递信号的A. muciniphila蛋白(图4)，它是30 kda的Amuc_1100蛋白，被定义为一种外膜蛋白，与Verrucomicrobia外的其他细菌几乎没有同源性，实际上被认为是一种菌毛相关蛋白。进一步的研究表明Amuc_1100在小鼠模型中具有耐热性，并可防止饮食诱导的肥胖。当比较这三种蛋白质的绝对丰度时，很明显Amuc_1100比在粘蛋白上生长的A. muciniphila蛋白质组中的其他两种信号候选蛋白丰富得多。因此，未来的比较研究应该确定哪些蛋白质或其组合可以解释在人类中观察到的A. muciniphila活性。除了SCFAs、BAs或PAMPs和肠道肽(即GLP-1、PYY)等经典分子外(均被描述为宿主代谢、肠道屏障和炎症的调节因子)，一种名为“enterosynes”的新型分子的作用正在出现。最近，人们引入了enterosynes的概念，并将其定义为来源于肠道的分子，这些分子具有通过靶向肠道神经系统(ENS)调节十二指肠收缩的能力。enterosynes在化学上具有多样性，与激素、生物活性肽/脂质、营养物质、微生物群和免疫因子有关。这一概念的起源是基于对T2D患者的观察，其特点是十二指肠运动亢进，这有利于葡萄糖吸收并导致高血糖。已经证实，十二指肠的收缩由下丘脑感知，并且在糖尿病期间，十二指肠运动亢进会向大脑产生异常的传入神经信息。相反，通过ENS神经元恢复十二指肠的自然收缩，可恢复肠-脑轴并提高胰岛素敏感性。肠道微生物群、脑功能和葡萄糖代谢之间的关联正成为这一研究领域的一个热门话题，而ENS的作用也成为解决糖尿病等疾病的一个新靶点。尽管各种论文都在讨论调节肠道微生物群的策略，如益生菌、益生元和粪便移植，以减轻代谢综合征的特征，但很少有关于肠道因素的特性，如enterosynes。为了探索与葡萄糖代谢有关的新型肠道分子和受体，研究人员探索了已知的改变肠道微生物群和改善糖尿病的特定纤维的作用。低聚果糖可通过控制肠内神经元活动降低十二指肠收缩频率，这降低了糖尿病小鼠的高血糖和脂肪组织中的炎症标志物。通过脂质组学分析，发现这种低聚果糖选择性地增加了结肠细胞中肠道生物活性脂质(12-羟基二十碳四烯酸(12-HETE))的丰度。引人注目的是，给糖尿病小鼠服用12-HETE可改善葡萄糖代谢。12-HETE的作用也在体外得到证实。此外，他们发现这种生物活性脂质作用于十二指肠收缩的分子机制依赖于Mu-阿片受体(MOR)(由脑啡肽激活)和PPARγ的存在。临床前的研究结果得到了人类数据的支持，这些数据显示，与健康受试者相比，糖尿病患者十二指肠中12-HETE水平降低，前脑啡肽和MOR表达降低。通过使用各种方法和膳食补充剂来治疗IBDs，新的具有抗炎特性的生物活性脂质被鉴定出来。利用大肠杆菌Nissle 1917(EcN)的质谱分析，发现3-羟基十八碳烯酸(C18-3OH)的浓度增加，EcN是一种被广泛研究的用于治疗结肠炎的益生菌。他们发现口服C18-3OH可以减少结肠炎。为了确定肠道微生物群中的其他细菌是否产生C18-3OH，通过使用低聚果糖调节肠道微生物群。作者发现，低聚果糖的抗炎特性与结肠C18-3OH浓度的增加有关。最后，他们确定了产生这种生物活性脂质的特定细菌，并发现C18-3OH通过激活PPARγ发挥作用。总之，这两个例子表明，肠道微生物群是假定的多种生物活性化合物的来源(图2)，它们作用于参与代谢和炎症调节的宿主受体(图3)。虽然一些代谢物是健康所必需的，但其他代谢物可能有害，但证据仅来自关联研究或动物试验。最近研究了三种具有负面影响的代谢物，包括果糖赖氨酸，晚期糖基化终产物(AGE)，氧化三甲胺(TMAO)和丙酸咪唑(IMP)。AGEs是食物中通过热处理形成的Maillard反应产物，蛋白质和氨基酸的游离氨基与还原性碳水化合物反应，形成生物利用度低的化合物。大量机制证据表明，AGEs通过激活AGEs受体刺激促炎反应，将AGEs与T2D和CRC联系起来，增加肠道通透性，从而使AGEs与结肠上皮更紧密地相互作用，导致细菌毒素渗漏到体循环中。果糖赖氨酸是一种由赖氨酸和葡萄糖形成的Amadori产品，是主要的膳食AGEs之一。早期的研究表明，大肠杆菌具有呼吸果糖赖氨酸的能力。然而，最近的分析表明，Intestinimonas spp.属成员可以通过一种新的途径将其转化为丁酸盐。值得注意的是，仅在配方奶粉喂养的婴儿中观察到降解果糖赖氨酸的能力，而在母乳喂养的婴儿中未观察到，这可能与热处理后配方奶粉中该化合物的含量较高有关。进一步的研究应探讨果葡赖氨酸和其他AGEs在T2D和其他疾病中的因果关系，以及肠道细菌在其转化中的作用。最近的一项研究还描述了Cloacibacillus和Oscillibacter spp.对N-ε-羧甲基赖氨酸的完全利用。TMAO与摄入甜菜碱、胆碱、左肉碱等季胺有关，这些季胺普遍存在于蔬菜、水果、肉类和海鲜中，是众所周知的细菌渗透保护剂。包括变形菌在内的几种肠道细菌都能通过TMA裂解酶及其激活酶(CutCD)将这些季铵盐离子转化为乙醛和三甲胺(TMA)。然后TMA进入血液，被肝脏中的黄素单加氧酶转化为TMAO。最近的研究表明，血清中的TMAO与动脉粥样硬化和心血管风险密切相关。此外，在小鼠模型中，已证明TMAO能促进动脉粥样硬化斑块的形成。此外，TMAO是一种常见的尿毒症毒素。因此，人们对了解这些季铵盐离子转化为不产生TMA或其他TMAO前体的化合物非常感兴趣。对Eubacterium limosum及其相关肠道分离菌E. maltosivorans的生化和途径分析得出了新的见解，这些分离物被发现在涉及细菌细胞区室的新过程中使甜菜碱和其他季胺脱氨基，并导致乙酸盐和丁酸盐的产生。虽然后一种细菌高度相关，似乎有一种独特的维生素B12依赖性代谢途径，但这并不适用于可能导致IMP产生的组氨酸代谢。研究表明，T2D患者血清中的IMP浓度增加。最近发现，IMP是由肠道细菌从组氨酸中产生的，通过雷帕霉素复合物1依赖性途径的哺乳动物靶点破坏胰岛素信号和糖耐量。两种不相关的细菌，变形链球菌(Streptococcus mutans)和Eggerthella lenta已被鉴定为IMP的生产者，这证实了许多代谢物是由几个可能没有任何系统发育关系的肠道菌群产生的事实。总之，这些例子表明肠道细菌参与产生非必需化合物，但也发现了新的厌氧菌，它们可能会解毒这些化合物，甚至将这些化合物转化为具有有益信号转导潜能的丁酸盐等产物(图2和3)。在过去二十年中，已经取得了相当大的进展。从最初的临床观察到更多的机械方法，肠道微生物群和健康领域正在演变为无可辩驳的因果关系。然而，仍有许多研究声称因果关系，而实际上只是证明了相关性。从相关性到因果关系的转变仍然是一个重要且必要的步骤，以更好地设计基于调节肠道微生物群或使用特定活性化合物的假定干预措施。由于组学分析方面的进步，科学界正逐渐走向个性化医疗，而微生物组时代显然是未来医学和营养方法范式转变的重要组成部分。“iMeta” 是由威立、肠菌分会和本领域数百位华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表原创研究、方法和综述以促进宏基因组学、微生物组和生物信息学发展。目标是发表前10%(IF > 15)的高影响力论文。期刊特色包括视频投稿、可重复分析、图片打磨、青年编委、前3年免出版费、50万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊发行！
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