腸道菌群調節能量代謝機制

比利時魯汶大學Patrice D. Cani等人於2019年1月7日在《Nature Metabolism》上發表了題目為《Microbial regulation of organismal energy homeostasis》的文章。該文章全面綜述了腸道微生物影響宿主能量代謝的各種機制。

綜述摘要

腸道微生物組已成為宿主代謝的關鍵調節因子。

在這裡，我們回顧腸道微生物組影響其宿主能量代謝的各種機制，突出腸道微生物，其代謝產物和宿主細胞之間的複雜相互作用。其中最重要的細菌代謝產物是短鏈脂肪酸，它可作為宿主細胞的直接能量來源，刺激腸道激素的產生，並在大腦中起作用以調節食物攝入。其他微生物代謝物通過影響產熱和脂肪組織褐變來影響全身能量消耗。對於特定代謝物，例如膽汁酸，支鏈氨基酸，吲哚丙酸和內源性大麻素，已經瞭解了它們的直接和間接作用機制。我們還討論了特定細菌在特定代謝物生產中的作用，並探討外部因素如抗生素和運動如何影響微生物組，從而影響能量穩態。

總的來說，我們提供了大量證據支持基於腸道微生物群的療法可用於調節宿主代謝的概念，我們期望在不久的將來這種方法從實驗室轉移到臨床。

圖1 | 能量收穫和新陳代謝。

腸道微生物群的組成是影響細菌發酵特定非消化性碳水化合物和纖維的能力的關鍵因素。儘管攝入相同的飲食（就纖維的數量和組成而言），受試者的不同腸道微生物群導致不同的非消化性碳水化合物發酵譜和不同量的SCFAs。因此，這些不同的微生物群可以有助於從飲食中獲得或多或少的能量收穫。

圖2 | 腸道微生物群通過腸-腦軸調節能量攝入。

SCFAs主要以腸激素依賴性方式影響食物攝入：SCFAs連接腸內分泌L細胞上的GPR-41和GPR-43受體，從而刺激GLP-1和PYY的釋放。反過來，GLP-1和PYY調節作用於在ARC和NTS或迷走神經末梢中表達的腸激素受體的腦攝食中心的活性。最近的一項研究表明，SCFAs還可以通過迷走神經或直接進入大腦，以腸激素非依賴性方式調節能量攝入。微生物成分，如ClpB，也在宿主的食慾控制中發揮作用。除了直接產生神經遞質外，腸道微生物群還調節腸道和中樞水平的宿主合成和神經遞質的釋放。此外，腸道微生物群是否影響涉及飲食的享樂調節的多巴胺能迴路還正在研究中。

圖3 | 腸道微生物群與宿主之間的相互作用及其對代謝的調節。

內源性和外源性因素影響腸道微生物群，其反過來通過產生各種介質影響幾個器官的功能。這些介質包括膽汁酸，SCFAs，ECS，TMAO，BCAAs，IPA，內毒素和微生物組分，腸激素和神經遞質。宿主代謝最終依賴於調節葡萄糖體內平衡，炎症，體溫調節，氧化還原平衡和能量穩態的各種組分。

圖4 | 腸道微生物群及其衍生的代謝物影響宿主能量穩態。

SCFAs是微生物群發酵的副產物。在小鼠研究中，數據表明SCFAs在能量穩態中發揮了作用。丁酸鹽已被證明可誘導脂肪分解，脂肪酸氧化和產熱，而醋酸鹽則發揮抗脂肪分解作用並增強白色脂肪組織米化。在肝臟中，醋酸鹽限制脂肪積累並刺激線粒體活動。腸道微生物群和膽汁酸相互影響;後者是能夠通過TGR5信號誘導棕色脂肪組織和白色脂肪組織產熱來調節能量消耗的生物活性脂質。當A. muciniphila增加時，在白色脂肪組織中經常觀察到增強的米化。