生物时钟与肠道菌有什么关连?

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近年来,研究肠道菌如何影响生物的生理、心理,已经是炙手可热的领域;饮食可以改变肠道菌相也不是新闻,但是我们的生物时钟是否与肠道菌有关系呢?

最近的一篇研究发现,生理时钟的确与肠道菌有关,而且是透过饮食去调节生理时钟基因!怎么会呢?

这要从好几年前开始说起。当时,德州贝勒医学院的研究团队发现,以高脂肪食物喂食怀孕的灵长类动物时,胎儿的生理时钟基因 Npas2 会因为组蛋白 H3 的第十四个胺基酸(离胺酸)被乙酰化程度上升,造成它的表现量提高;这个现象持续到出生后以及幼年期,造成孩子至少在三岁以前很容易出现代谢失调、脂肪肝等问题。

这个研究,显示了肝脏的生理时钟对维持动物的代谢的重要性。过去的研究发现,新生儿的肠道菌也会受到母亲的饮食影响、且生物的肠道菌相也有生物节律的表现;但是如果把生物时钟基因 ClockBmalI 剔除,则肠道菌相变化就失去节律性了。但观察无菌鼠却发现,这些无菌鼠的肝脏生物时钟也产生了变化,显示在肝脏与肠道菌之间可能有互动。

若把 Npas2 基因直接剔除呢?过去发现,直接剔除 Npas2 基因的小鼠,在一般状况下跟野生种并没有什么不同;但是当研究团队把 Npas2 基因剔除小鼠施以“限制喂食”时,只有 Npas2 剔除鼠出现明显变瘦的现象;甚至在其中一次实验时,小鼠因为消瘦得太多,死亡率高达 20%!

综合过去的研究,显然 Npas2 基因在限制喂食状况下,对小鼠非常重要;为了要更进一步了解,研究团队建立了只在新生儿时期的肝脏剔除 Npas2 的小鼠(称为 cKO),进行 17 天的“限制喂食”实验,分析实验进行前后小鼠体重变化以及肠道菌相的变化。

所谓的“限制喂食”要如何进行?原本让小鼠们自由取食,改为每天只有早上九点到下午一点有食物。因为小鼠是夜行动物,改为只有白天有食物可以吃,对牠们来说会造成很大的压力(想像你白天都没得吃,半夜饿到不行要起来找食物的感觉)。

就体重变化来说,控制组与实验组都瘦了,且直到实验的最后一天也没有回复实验开始时的体重;不过 cKO 公鼠在实验开始后第五到第九天体重的回复相当明显,造成在实验结束时,这一组的小鼠虽然没有吃得比较多,但是瘦得比较少。

那么小鼠的肠道菌相有没有变化呢?比较实验前后,研究团队发现在实验结束时,不论是野生种还是 cKO 组,都出现拟杆菌(Bacteroidales)变多、毛螺菌(Lachnospiraceae)变少的现象。

拟杆菌属的细菌。图片来源:Wiki

拟杆菌属的细菌。图片来源:Wiki

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由于体重变化趋势只有公的 cKO 鼠与其他组不同,所以研究团队仔细看了一下不同性别的肠道菌相。在实验前的肠道菌相并不因性别不同而有差别,但是在实验结束时,公母 cKO 鼠的肠道菌相就出现了相当程度的差异。

野生种的肠道菌与体重减轻呈现正相关的包括了反刍梭菌(Ruminiclostridium)、罗斯氏菌(Roseburia)、颤杆菌(Oscillibacter)、葡萄球菌(Staphylococcus)、韦荣菌(Veillonella)。但是这些菌在 cKO 公鼠反而与体重减轻呈现负相关!而真杆菌(Eubacterium coprostanoligenes)、棒状杆菌(Corynebacterium)、Parasutterella、拟杆菌 S24-7 群(Bacteroidales S24-7 group)、支原体科的 Allobaculum 属则与 cKO 公鼠体重减轻呈现正相关,但却与野生种体重减轻呈现负相关!

虽然不论野生种或 cKO 鼠在实验结束时拟杆菌(Bacteroides)属细菌都有上升的现象,但 cKO 鼠拟杆菌增加得并不显著;由于之前曾有实验发现,不同株拟杆菌对饮食的反应不同,于是研究团队仔细地分析了定序结果,但在同组不同个体间不同菌株增减的趋势并没有一致性,所以也就只能参考参考了。

整个看来,生物时钟基因 Npas2 在饮食改变(高脂肪或限制饮食)时,担任了很重要的角色。在这个研究里甚至发现,胎儿的 Npas2 基因表现,与母体的饮食相关,且这个效应持续到幼年期,造成出生后到幼年期的代谢问题;且肠道菌相也出现一些变化。而 Npas2 基因的有无,在限制饮食的状况下,对于公鼠肠道菌相的改变出现相关性。由于饮食对肠道菌相的改变已经不是新闻,而胎儿在自然产时会由母鼠的阴道得到妈妈的菌;所以小鼠的肠道菌随着妈妈的改变而改变,也不能说很意外。但是究竟 Npas2 与肠道菌之间是否存在着互动,有待未来更多实验来协助厘清。

最后笔者想提出一点,这个研究也再度提醒了我们,雌性与雄性在相同状况下,生理(应该也包括了心理)的反应是不尽相同的。过去许多动物实验总会采用雄性动物来减少因月经周期所带来的变化,虽然这让实验结果容易解释,但也造成近年来发现,有些治疗方式对女性未必有效。性别差异影响到生理反应,这也是未来在医疗研究上不可忽略的。

文 / 叶绿舒

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参考文献:
1. Melissa Suter et. al., Epigenomics: maternal high-fat diet exposure in utero disrupts peripheral circadian gene expression in nonhuman primates. FASEB J. 2011 Feb; 25(2): 714–726. doi: 10.1096/fj.10-172080
2. Derek S. O’Neil et. al., Conditional postnatal deletion of the neonatal murine hepatic circadian gene, Npas2, alters the gut microbiome following restricted feeding. American Journal of Obstetrics & Gynecology. http://dx.doi.org/10.1016/j.ajog.2017.03.024

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