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Cell:昼夜颠倒,肠道菌群也会吃不消

Cell:昼夜颠倒,肠道菌群也会吃不消

倒时差带给你的可能不止是哈欠连天和黑眼圈——以色列的一项最新研究表明,人类和小鼠肠道内的菌群会受到宿主生物钟的影响,宿主生物钟的紊乱会左右肠道细菌的丰度变化,进而提高出现肥胖和代谢问题的风险。研究论文于10月16日发表在期刊《细胞》(Cell)上。

生物钟是将个体生理节律与外部时间联系起来的重要机制。哺乳动物的生物钟由位于下丘脑的视交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)的主生物钟(central clock)感知来自环境的光源变化,b对其他组织中的外周生物钟(peripheral clock)进行调控,后者进一步调控各种生理过程,并帮助这些过程与周围环境的变化相协调。由于现代生活方式的出现,人类——特别是那些经常要倒班或是跨时区飞行的人群——生物钟受到普遍干扰,因此带来的昼夜节律的紊乱与包括肥胖、糖尿病、心血管疾病在内的一系列疾病的发病风险提高相关。

肠道菌群的昼夜周期性变化

在许多受宿主生物钟调节的生理过程中,肠道菌群都发挥着重要作用。为了探寻宿主昼夜节律与肠道菌群之间的关系,魏茨曼科学研究所的研究者们进行了一系列实验。小鼠被置于12小时亮、12小时暗的“人工昼夜”之中,按照小鼠平时的进食习惯喂养,并在明暗交替的时间点(编者注:在“人工昼夜”中,从黑暗转变到光照的时刻定义为“环境钟”的0点,从光照转变到黑暗的时刻定义为环境钟的12点)以及两段时间的中点(环境钟18点和6点)进行粪便取样。研究发现,小鼠肠道内菌群组成随昼夜变化而变化。在样品里的所有细菌种类中,15%以上的细菌的丰度会呈周期性起伏变化——这些细菌属于梭菌目(Clostridiales)、乳杆菌目(Lactobacillales)以及拟杆菌目(Bacteroidales),而它们占到了肠道细菌总数的约60%。

随后,研究者对粪便样品进行了宏基因组测序,并对基因所属的通路进行了分析,发现表达呈现昼夜周期性变化的基因参与了小鼠的核酸代谢、氨基酸代谢以及胃黏液降解等过程,这意味着肠道菌群的周期性变化不仅表现在组成上,也表现在功能上。有趣的是,这些功能在“白天”和“夜晚”的分布并不相同。例如,涉及能量代谢、DNA修复、细胞生长的过程更多出现在夜间;而解毒、细胞运动性以及对环境的感知等过程则更多出现在白天。

为了了解肠道菌群组分的昼夜起伏从何而来,研究者们将目光转移到了宿主身上。Period基因(Per)小鼠的核心生物钟基因之一,一旦这些基因不能被表达,小鼠的昼夜节律就会丧失。研究者构建了Per1和Per2双敲除小鼠(Per1/2-/-),并对这种失去了昼夜节律的小鼠的粪便进行检测。结果显示,Per1/2-/-小鼠的肠道菌群几乎完全失去了昼夜周期性变化,肠道菌群丰度只呈现随机的起伏;肠道菌群所涉及的大部分功能几乎不呈现昼夜变化。这说明,肠道菌群在组成和功能上的昼夜周期性变化的形成,依赖于宿主生物钟的正常运作。

规律饮食很重要

动物的摄食受到生物钟的调控。反过来,进食时间在校准外周生物钟方面也起着关键作用。研究者发现,由于正常小鼠是夜间活动的动物,它们倾向于在夜间进食,Per1/2-/-小鼠则不论时候,全天开吃。有鉴于此,研究者们假设,小鼠肠道内菌群的波动可能与摄食模式相关。他们设计了一个定点喂食的实验,将正常小鼠分为两组,分别仅在“白天”或“夜晚”喂食。

这样喂食2周后,研究者每6小时采集一次小鼠粪便菌群样本,连续采集2天。他们发现,只能在“夜晚”进食的小鼠,肠道菌群的变化与随意进食的正常小鼠的菌群相似,反映出夜行性啮齿类的进食习惯。相比之下,只能在“白天”进食的小鼠,肠道菌群的周期性变化发生了明显的相移,峰值期和低值期几乎都移动了12个小时,并使得某些细菌(如Candidatus Arthromitus )表现出更强的昼夜周期性变化。研究者在Per1/2-/-小鼠进行了相同的实验,发现尽管小鼠的昼夜节律被破坏,但规律的摄食能让小鼠肠道菌群的昼夜周期性变化重新建立起来。这些结果提示,肠道菌群的变化会直接受到摄食时间的影响。

按时作息不可少

研究者们在小鼠身上模拟人的时差反应,观察肠道菌群所受的影响。小鼠们每3天将遭遇一次“倒时差”——过了3天正常日子后,第4-6天的“白天”会比前三天提前了8小时,从第7天起又恢复前3天的时间。4周以后,小鼠倒出“时差病”,进食不规律,肠道菌群的昼夜周期性变化也被破坏。“倒时差”实验进行到4个月后,即使喂食正常的食物,有“时差反应”的小鼠还是出现了超重和脂肪量增加的情况。将超重小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠中,后者也出现了超重和葡萄糖耐量降低的现象。这些结果进一步表明,与时差反应相关的代谢问题,与肠道菌群的失调有所关联。

人类时差反应对肠道菌群的影响

随后,研究者们分析了2个人的粪便样品,发现肠道细菌中多达10%的种类会呈现昼夜性的丰度变化,这些细菌所参与的功能也同样存在昼夜差异。例如,能量代谢和蛋白质合成多见于白天,而解毒过程则多见于夜晚——与夜行性的小鼠正好相反。

在时差实验中,研究者们以两个倒时差的人(他们分别从美国中部或西部飞到以色列,时差8-10小时)作为实验对象,分别在他们离开之前(无时差反应)、到达之后一天(经历时差反应)以及到达后2周(已恢复)时收集粪便样品。他们发现,在有时差反应时的粪便样品中,硬壁菌门(Firmicutes)的细菌丰度较高——这类细菌与肥胖和代谢疾病的发生相关。

研究者认为,肠道菌群组成的变化可能是造成人体代谢问题的又一因素。这些结果为开发有针对性的益生菌和抗菌药物疗法提供了借鉴意义。未来的研究需要进一步关注昼夜节律偏差对肠道菌的影响。此外,研究者表示,在研究人类和动物体内微生物组成的时候,也应该考虑肠道菌群的昼夜变化。

原文检索:

Christoph A. Thaiss, David Zeevi, Maayan Levy, Gili Zilberman-Schapira, Jotham Suez, Anouk C. Tengeler, Lior Abramson, Meirav N. Katz,Tal Korem, Niv Zmora, Yael Kuperman, Inbal Biton, Shlomit Gilad, Alon Harmelin, Hagit Shapiro, Zamir Halpern, Eran Segal, Eran Elinav. Transkingdom Control of Microbiota Diurnal Oscillations Promotes Metabolic Homeostasis. Cell, October 16, 2014; DOI: 10.1016/j.cell.2014.09.048


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