修回日期: 2016-01-04
接受日期: 2016-01-11
在线出版日期: 2016-02-18
动物胃肠道中寄居有大量微生物, 这些微生物的存在与宿主免疫、营养以及其他生命活动紧密相关. 经过长期进化, 肠道菌群与宿主形成了相对稳定的共生体系, 但饮食等环境因素能够改变肠道菌群组成及其代谢活性, 进而影响机体健康. 另一方面, 肠道菌群携带着与宿主截然不同的遗传信息, 并具有比宿主更多元的代谢功能, 包括从食物中摄取能量的能力, 比如分解和利用不能被宿主消化的多糖. 本文综述碳水化合物、蛋白质和脂类三大主要营养成分对肠道菌群及其代谢的影响, 并探讨菌群变化和菌群代谢对动物健康的影响.
核心提示: 动物肠道菌群与宿主免疫、营养以及其他生命活动紧密相关. 然而, 饮食等环境因素能够改变肠道菌群组成及其代谢活性, 进而影响机体健康. 本文综述碳水化合物、蛋白质和脂类对肠道菌群及其代谢的影响, 并探讨菌群变化和菌群代谢对动物健康的影响.
引文著录: 刘艺端, 余凯凡, 朱伟云. 食物主要成分与动物肠道微生物组成及其代谢的关系. 世界华人消化杂志 2016; 24(5): 706-713
Revised: January 4, 2016
Accepted: January 11, 2016
Published online: February 18, 2016
The human gastrointestinal tract is colonized by microbial communities that have important effects on immune function, nutrient processing, and a broad range of other host activities. Diet and other environmental factors can modulate the composition and metabolic activity of the gut microbiota, which in turn impacts health. On the other hand, microbiota and its collective genomes provide us with genetic and metabolic attributes we have not been required to evolve on our own, including the ability to harvest nutrients such as polysaccharides. This review will focus on the impact of dietary macronutrients (carbohydrate, protein and fat) on the microbial ecology and metabolism within the intestine, and explore some of the consequences for animal health.
- Citation: Liu YD, Yu KF, Zhu WY. Impact of macronutrients on gut microbiota. Shijie Huaren Xiaohua Zazhi 2016; 24(5): 706-713
- URL: https://www.wjgnet.com/1009-3079/full/v24/i5/706.htm
- DOI: https://dx.doi.org/10.11569/wcjd.v24.i5.706
经过长期进化, 肠道微生物与宿主形成了相对稳定的共生体系[1]. 其中, 厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)细菌是动物肠道的优势菌[2,3]. 随着分子生物学技术的发展, 目前, 已鉴定出的种属包括双歧杆菌属(Bifidobacterium)、乳杆菌属(Lactobacillus)、拟杆菌属(Baccteroides)、梭菌属(Clostridium)、埃希氏菌属(Escherichia)、链球菌属(Streptococcus)以及瘤胃球菌属(Ruminococcus)等[4]. 肠道菌群是宿主生理状态、日常习惯等环境因素共同选择的结果[4], 虽然肠道环境提供了细菌生长所需的营养、温度等条件, 但是宿主免疫[5]、菌种间竞争等都是对细菌适应性的重大考验[1]. 在长期相对固定的饮食模式下, 人肠道内的优势菌群是相对稳定的. 通过分析粪样菌群组成, 研究人员发现非洲土著(摄食植物性食物为主)肠道内拟杆菌门细菌极其丰富, 厚壁菌门细菌则相对较少, 而西方人(摄食动物蛋白为主)肠道内拟杆菌门与厚壁菌门细菌的比例相对较低[6], 这可能就是饮食结构对菌群进行选择的结果, 同时也是细菌对不同底物适应性的体现. 但是, 关于某些菌群适宜在高蛋白饮食人群的肠道内生存, 而另一些菌群却不能的原因, 目前还不清楚, 甚至特定食物背景下的菌群组成也不尽明确. 事实上, 肠道菌群是相当脆弱的, 进行抗生素治疗时或改变饮食结构后, 肠道菌群会在短时间内发生变化[7]. 已有报道, 长期饲喂高纤维日粮的小鼠改饲高脂日粮后, 其肠道内双歧杆菌属[8,9]、拟杆菌属[8]和普雷沃氏菌属(Prevotella spp.)细菌数量增加, 而厚壁菌门细菌特别是该细菌门类中的柔嫩梭菌(Clostridium leptum)数量减少[10]. 由此可见, 肠道菌群对食物结构存在某种偏好性, 而且可能具有特定功能[11]. 值得注意的是, 饮食结构改变所引起的肠道菌群的变化, 可能关系到宿主的健康. 目前, 肠道微生物与肥胖、糖尿病等代谢疾病存在相关性的观点受到广泛关注[12], 基于饮食结构能够影响肠道菌群[13], 宿主的摄食类型已被公认为代谢失调的诱因之一[14]. 因此, 探究宿主和肠道微生物间的代谢互作关系, 有望从肠道微生物干预角度寻找预防和治疗代谢相关疾病的方法; 同时, 由于细菌代谢旺、生长快等特点, 使得肠道菌群能够迅速回应饮食等环境的改变[15], 而肠道菌群的可变性揭示了饮食干预手段应用于疾病治疗的可能性. 为此, 本文总结了不同食物成分对肠道菌群组成和代谢的影响, 并分析微生物活动及其代谢产物对宿主代谢和健康的影响, 为通过靶向肠道微生物的营养干预途径调节机体健康提供参考.
植物性食物富含抗性淀粉、非淀粉多糖和寡糖等, 但是宿主消化酶不能水解这些碳水化合物, 他们逃脱前肠消化和吸收到达结肠后, 将作为碳源和能源供细菌利用和生长[3]. 宿主摄入碳水化合物的结构(种类和数量)是多种多样的, 宿主的肠道菌群组成会随之发生规律性的变化. 与大量摄食动物蛋白的欧洲儿童相比, 以富含碳水化合物的谷物、豆类和蔬菜为主食的非洲儿童, 其粪中拟杆菌门细菌丰度较高, 而厚壁菌门和肠杆菌科(Enterobacteriaceae)细菌丰度较低[6]. 从细菌种属水平分析, Abell等[16]发现健康成年人摄食大量抗性淀粉时, 其粪中布氏瘤胃球菌(Ruminococcus bromii)丰度较高; Walker等[17]也发现类似的现象, 摄食抗性淀粉配制的食物后, 肥胖患者肠道内布氏瘤胃球菌快速生长, 达到总菌数量的17%, 而患者摄食非淀粉多糖时布氏瘤胃球菌仅占3.8%, 其他种属的细菌丰度则相对增加. 由此可见, 瘤胃球菌属细菌善于利用抗性淀粉, 而拟杆菌门细菌则适宜于在碳水化合物丰富的环境中生长. 然而, 食物干预后的菌群变化很大程度依赖于受试者肠道初始菌群[17], 个体差异是动物试验中存在的重要限制因素. 幸运的是, 应用体外培养技术能够针对性的研究底物对特定菌群的影响[18]. 有研究[19]指出, 将人粪样悬液接种到不同碳水化合物中, 细菌丰度和多样性均随之变化. 以木聚糖、果胶等非淀粉多糖作为底物, 拟杆菌属细菌大量增殖, 而瘤胃球菌属、梭菌属等细菌较接种时比例下降, 而以直链淀粉为底物的培养基中布氏瘤胃球菌、B. adolescentis、短双歧杆菌(B. breve)为优势细菌[20]. 由此可见, 不同微生物对碳水化合物具有不同的偏好, 这些天然的寡糖和非淀粉多糖将成为针对性调控肠道菌群的重要益生素资源.
多糖是储存着丰富能量的多聚体, 可作为肠道细菌的营养底物. 多糖发酵生成乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs), 以及H2和CO2等气体[21].
肠道菌群对碳水化合物的利用可能存在种间竞争或共生关系. Duncan等[19]的研究指出, 分离自人粪样的产丁酸菌罗氏菌属(Roseburia)的A2-183F菌株在纯培养条件下不能有效利用土豆淀粉、木聚糖等碳水化合物, 而在与人粪样悬浮液的共培养条件下, 则可在多种碳水化合物中生长, 由此推测, 微生物降解复杂碳水化合物的过程不是独立进行的, 而是彼此紧密配合形成了相互依赖的代谢网络. 事实上, 微生物能否有效利用特定碳水化合物与他们所携带的碳水化合物摄取及代谢基因相关, 比如编码戊糖磷酸途径和产乳酸途径的相关酶的基因[22]. 拟杆菌属细菌能够产生一系列多糖水解酶, 而另一些种属的细菌如双歧杆菌属的B. longum却只能转运和利用单糖[23], 因此, 拟杆菌属细菌如多型拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)存在时, 能够促进B. longum的生长. 菌种间的这种协作关系, 对于肠道菌群平衡的维持有着重要意义, 也是益生菌和益生素的研究中需要考虑的重要规律. 此外, 单糖磷酸转移酶系统(phosphotransferase systems, PTS)在小肠的链球菌中大量表达, 提示链球菌主要利用简单碳水化合物[22]; 而编码多糖水解相关酶的多型拟杆菌则主要分布在大肠肠腔中[24], 反映出不同肠段消化和吸收分工有所不同. 由此可见, 肠道菌群对碳水化合物的代谢活动, 不仅促进了宿主对营养素的摄取和利用, 而且对于肠道健康的维持有着重要意义.
肠道发酵产生的代谢产物是宿主每日能量需要的重要来源[25]. 曾有报道[26]指出, 为了满足无菌大鼠维持代谢所需的能量, 需要为其额外补充30%的卡路里. 碳水化合物发酵产生的SCFAs大部分经肠道上皮吸收, 并在不同组织代谢[27], 乙酸主要为肠上皮组织提供能量, 丙酸则主要参与肝脏的糖代谢和脂代谢[28]. 结肠细胞倾向于以丁酸作为能源物质, 而不是葡萄糖或酮体, 因此当肠道中乙酸成为主导能源物质时, 能有效抑制结肠癌细胞的增殖[29], 补充适宜浓度的丁酸或添加产丁酸菌有利于肠道的稳态和健康. 此外, SCFAs可作为配体激活游离脂肪酸受体(free fatty acid receptor, FFAR)[30], 调节宿主的免疫功能, 例如, 乙酸和丙酸可激活人体中性粒细胞和单核细胞中的FFAR2, 促进肠道中抗炎反应[30]. FFAR2基因缺失小鼠感染肠炎后, 由于此通路受阻导致炎症急剧恶化; 而无菌小鼠由于肠道内几乎不释放SCFAs, 同样表现出抗炎反应的失调[31]. 由此可见, SCFAs参与调节宿主正常炎症反应, 并通过多种途径促进肠道健康. 当前, 寡糖类物质是动物健康研究领域的热点, 菊粉和果寡糖能提高小鼠粪中丁酸和丙酸产量[32], 寡糖的功能性可能最终要归结到SCFAs的作用.
寄居于肠道的蛋白降解菌包括拟杆菌属、梭菌属、梭杆菌属(Fusobacterium)、链球菌属细菌等[33]. 事实上, 大多数肠道菌都能利用肠道含氮资源, 比如, 小肠部位的微生物既能利用内源氨基酸作为氮源[34,35], 还会参与到赖氨酸等氨基酸的从头合成, 进而为十二指肠、空肠以及肝脏等组织的蛋白质合成提供原料[36]. 然而, 当肠道内的碳水化合物耗尽后, 仅仅少数病原菌能够有效利用蛋白质作为能源[37], 由此可见, 食物中蛋白质和碳水化合物的适宜比例对肠道健康至关重要. 蛋白质水平会改变肠道菌群, Lubbs等[38]检测了不同蛋白浓度对成年猫粪样微生物组成和数量的影响, 结果发现, 与中等蛋白日粮(34%)组相比, 高蛋白日粮(52%)能够增加猫粪样中产气夹膜梭菌(C. perfringens)数量, 而双歧杆菌属数量较低; 而在饲喂高蛋白日粮的犬类肠道中, 梭杆菌目(Fusobacteriales)细菌优势菌, 改饲常规日粮后梭菌目(Clostridiales)、乳杆菌目(Lactobacillales)和拟杆菌目(Bacteroidales)细菌增加[39]; Chung等[40]则发现饲喂高蛋白日粮的大鼠粪便中大肠杆菌和梭菌属细菌数量增加. 另外, 蛋白质的来源也会影响肠道菌群组成. 仔猪饲喂酪蛋白后, 其回肠中总真细菌、拟杆菌属、紫单胞菌属(Porphyromonas)、肠杆菌科、梭菌属ⅩⅣa簇细菌丰度较高[37], 而饲喂豆粕日粮的仔猪粪中肠杆菌科细菌丰度较低[37]. 此外, 在以牛肉、鸡肉等动物蛋白作为底物的体外试验中, 梭菌属和拟杆菌属细菌在培养基中大量富集[41]. 由此可见, 与不同碳水化合物一样, 不同来源的蛋白质存在相对应的特征菌群, 肠杆菌科以及梭菌属细菌随蛋白质水平和来源有一定的波动, 但是不同蛋白源对肠道菌群影响的报道还相对较少.
肠道微生物能够利用蛋白质、氨基酸、肽链以及尿素和氨气等含氮物质作为氮源[34,35,42]. 未被小肠消化和吸收的食物蛋白及内源蛋白进入后肠, 经结肠微生物降解, 除了生成SCFAs、H2和CO2[43,44], 经脱氨、脱羧等途径还会产生氨、酚类、吲哚类、胺类、H2S等物质[45], 这些代谢产物会对机体健康产生重要影响.
结肠的氨不仅会缩短结肠细胞生命周期, 而且会限制结肠黏液层细胞的增殖[46]. 氨基酸经微生物脱羧酶作用生成的胺类和酰胺类物质, 亚硝基化生成与结直肠疾病相关的亚硝基化合物(N-nitroso compounds, NOCs), 同时, NOCs含量与红肉(猪肉和牛肉)食入量高度相关[47]. 普遍认为, H2S是一种有毒产物, 能够诱导机体DNA损伤, 造成结肠细胞发生基因水平的病变, 引发结肠癌等肠道疾病[48]. 然而, Carbonero等[48]的试验中却发现, 抑制健康小鼠体内H2S的合成后, 造成其小肠和结肠黏膜损伤并引发炎症反应, 而补充H2S后能有效缓解结肠炎症. Russell等[49]则发现一些结肠优势菌能够利用3种芳香族氨基酸, 随着蛋白质摄入量的增加, 粪中苯衍生物的含量增加, 而这些苯化合物具有一定的抗炎和抑菌活性. 由此可见, 虽然蛋白质的代谢产物具有一定毒性, 但是他们对于机体的稳态与健康又是必不可少的. 然而, 关于硫化氢等物质的代谢途径、调节作用等还不尽清楚.
肠道菌群组成会随食物中脂肪酸组成的变化而变化. 饲喂添加棕榈油(富含饱和脂肪酸)的高脂日粮, 小鼠肠道中拟杆菌门细菌减少, 而添加橄榄油(富含单不饱和脂肪酸)组拟杆菌科(Bacteroidaceae)细菌丰度相对较高[50]. 另一方面, 亚麻油或鱼油组(富含n-3多不饱和脂肪酸)相比添加淀粉或蔗糖的低脂日粮组, 肠道内双歧杆菌数量增加[50], 通常认为双歧杆菌是肠道的有益菌, 能够降低肠道内毒素水平并提高肠道黏膜屏障功能[51], 提示不饱和脂肪酸的添加有利于肠道微生态的平衡.
此外, 肠道菌群组成还会受到食物高脂的调控. 有报道[52]指出, 高脂饮食的摄入导致后肠细菌总量、双歧杆菌属细菌减少, 而拟杆菌目和梭菌目细菌丰度相对增加[53], 双歧杆菌作为肠道有益菌的代表, 其数量的减少可能会影响肠道屏障功能的发挥; 同时, 肠道内革兰氏阴性菌所占比例相对增加, 导致机体血液中LPS含量也增加[51]. 另外, 高脂饮食可能诱导肠道微生物摄取食物能量的能力增加[52], 进而诱发肥胖等代谢疾病. 脂类和碳水化合物都是仅由碳元素和氢元素构成, 都能作为碳源供微生物利用, 但是由于饮食中脂类含量较少、高低脂饮食中碳水化合物结构差异等原因, 肠道菌群对脂类的代谢机制暂不明确, 也未查阅到相关报道.
肠道微生物能够通过多种途径调控宿主脂代谢, 他们如同机体的附属代谢器官, 与宿主进行着密切的物质、能量和信息交流.
胆盐在脂类消化环节中扮演着重要角色, 而肠道微生物能够对其进行修饰[54], 影响其功能的发挥. 首先, 肠道细菌释放胆盐水解酶(bile salt hydrolase, BSH)作用于胆盐的酰胺键, 反应生成甘氨酸或牛磺酸以及游离胆汁酸[54]; 进一步, 肠道细菌可催化游离胆酸的脱羟基反应[55]. 目前已有报道, 梭菌属和双歧杆菌属细菌以及拟杆菌(Bacteroides)、乳酸杆菌(Lactobacillus)和肠球菌(Enterococcus)普遍具有BSH, 但不同株细菌其BSH活性不同, 如瑞士乳杆菌(L. helveticus)和发酵乳杆菌(L. fermentum)只能解离牛磺酸胆盐而不能解离甘氨酸胆盐, 推测微生物BSH具有类固醇类和氨基酸识别两类. 另外, 有报道添加具有BSH活性的菌种能有效降低小鼠和狗血清胆固醇水平[54]; 而胆盐水解产物牛磺酸胆盐能够抑制一定剂量艰难梭菌(C. difficile)毒素A和毒素B裂解活性, 有效避免结肠上皮细胞遭受毒素损伤[56]. 由此可见, 细菌BSH活性不仅反映肠道细菌对胆酸环境的适应力, 还能介导胆盐修饰影响宿主代谢及微生态平衡, 体现出一定益生效果.
除了参与到胆盐代谢中影响脂类消化, 微生物还能直接影响宿主脂肪代谢过程. Cani等[51]发现, 将常规小鼠肠道菌群移植到无菌小鼠肠道后, 小鼠从食物中摄取能量的能力增加[14], 其体内脂沉积量增加60%, 此时采食量也有所增加, 这可能是微生物促进了肠腔内单糖的吸收以及肝脏脂肪合成的结果[1]. Bäckhed等[57]进一步指出, 无菌小鼠能够避免由高脂多糖食物引发的肥胖, 因为其体内存在大量的饥饿诱导脂肪因子(fasting induced adipose factor, Fiaf), 而Fiaf能够有效抑制甘油三酯在脂肪细胞内沉积, 相反, 敲除Fiaf基因的无菌小鼠由于缺乏Fiaf就容易发生此类肥胖[57]; 同时, 肠道上皮Fiaf的表达受到微生物的选择性抑制, 常规小鼠不能有效规避此类肥胖的风险[58]. 由此可见, 微生物既能干预宿主能量的利用和吸收, 又能调控宿主脂代谢相关基因, 还参与到胆盐等脂代谢相关化合物的代谢中, 通过多种途径干预宿主脂代谢.
由于携带着多种多样的物质代谢相关基因, 肠道菌群能够水解、吸收、利用宿主不能直接代谢的多糖、抗性淀粉等食物成分, 而这些功能是由不同种属的细菌分别承担的, 比如多型拟杆菌能够水解多糖, 而链球菌只善于利用单糖, 这也是肠道菌群间互利共生的体现. 因此, 肠道菌群作为一个整体, 过分强调单一种属细菌的存在、数量及其代谢是不够的, 在将来的研究中需要多考虑菌种间互作和竞争关系. 此外, 由于饮食成分的复杂性以及个体间肠道菌群的差异, 利用体外培养的方法研究细菌代谢规律将成为一种趋势. 在食物成分调节下, 肠道菌群形成相对稳定的代谢网络, 并与宿主建立起糖代谢、氮代谢以及能量代谢平衡, 与宿主肥胖等代谢相关疾病的发生存在一定关联. 深入解析肠道菌群与疾病的关系, 或许能从庞大的肠道菌群中找出某些指示菌, 由于微生物的生长速度极快能够快速响应机体环境的细微变化, 标志性微生物的数量变化有望作为健康变化的监测信号, 应用于疾病检查和疾病治疗. 随着对肠道微生物对不同食物成分的代谢规律的深入认识, 有望通过调整饮食结构或添加益生菌、益生素等方式来改变肠道菌群结构, 从而维持肠道稳态甚至修复肠道损伤, 同时也将成为研究代谢相关疾病的发病机制、寻找治疗方法和改善宿主健康的新思路和新途径.
动物胃肠道中寄居有大量微生物, 这些微生物与宿主免疫、营养以及其他生命活动紧密相关, 肠道菌群组成及其代谢活动都会影响宿主的代谢和健康, 而宿主饮食是菌群组成和代谢的重要调控因素, 因此, 探究食物对肠道菌群的调控具有重要意义.
谭周进, 教授, 湖南中医药大学; 汪海峰, 教授, 硕士生导师, 浙江农林大学动物科技学院; 张静姝, 研究员, 天津市疾病预防控制中心; 伦永志, 副教授, 大连大学医学院
近年来, 随着宏基因组学、代谢组学等生物学分析技术的发展, 肠道微生物领域研究已经逐渐从分类学鉴定逐渐向菌群功能性深入, 比如拟杆菌属细菌降解多糖的机制.
Bäckhed等透彻解析了肠道菌群与宿主之间的互利共生关系, 有助于大家更好的理解宿主与菌群间的相互营养及其代谢互作. Conlon等提出生活方式、日常饮食会影响肠道菌群, 特别强调了饮食对于菌群稳态和机体健康的重要意义.
目前, 许多研究指出饮食会改变肠道菌群, 进而影响宿主健康. 本文旨在深入食物成分层面, 区别于混杂多种成分的食物结构层面, 探讨饮食因素对肠道菌群的影响, 并竭力从菌群代谢机制层面解析肠道菌群活动对宿主营养代谢的影响.
探究肠道微生物对不同食物成分的代谢规律, 有助于将来通过调整饮食结构或添加益生菌、益生素等方式来改善肠道健康, 并为研究肥胖等代谢相关疾病的发病机制、寻找治疗方法提供新思路和新途径.
常量营养素: 指碳水化合物、蛋白质和脂类这三大动物体需求量较高的营养物质; 菌群: 指生存在特定环境中的微生物群落集合, 如肠道菌群, 动物肠道中尤其是结肠部位数目巨大、多样性丰富的微生物集体.
本文比较深入地综述了肠道微生物对碳水化合物及蛋白质和脂类的代谢情况, 紧扣当今研究热点, 层次清晰, 内容详实, 引用文献丰富, 具有重要参考价值.
编辑:于明茜 电编:都珍珍
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