《科學》重磅：科學家發現膳食纖維和抗生素影響腸道菌群平衡的關鍵機制！ | 科學大發現

隨著腸道微生物的研究愈發受到重視，它的概念和作用也逐漸「飛入尋常百姓家」，為大家所了解。無論是研究人員還是科普人士都會提醒大家，「腸道微生物的平衡和穩態很重要，我們要保護腸道內有益的微生物」 「要多吃富含膳食纖維的食物，對腸道微生物好」 「要少用抗生素，會傷害腸道微生物，導致菌群失調」。

這麼多忠告，記住了結論的同時，你想知道為什麼嗎？今天，我們就要「知其然也知其所以然」，奇點糕要通過一個新發表在《科學》雜誌上的研究告訴大家，富含膳食纖維的食物對腸道微生物好，而抗生素會破壞菌群平衡的原因。

這項研究由加州大學戴維斯分校醫學院的Andreas B?umler教授帶領團隊完成[1]。我們的腸道通常是缺少氧氣的，有很多厭氧微生物生活在其中，比如厚壁菌門和擬桿菌門的細菌，它們量大而又活躍，避免一些可以致病的腸桿菌科細菌過度繁殖，像大名鼎鼎的大腸桿菌和沙門氏菌。而且還可以消化我們吃掉的食物，產生一些有益的代謝物，比如丁酸鹽。

Andreas B?umler教授

這些厭氧細菌是如何全面壓制腸桿菌科細菌的呢？主要是通過限制硝酸鹽和氧氣的產生[2,3]。因為大腸桿菌和沙門氏菌等腸桿菌科細菌都是兼性厭氧菌，它們在無氧和有氧的環境下均可以生長，不過在無氧環境下它們只能維持基本的繁殖，無法壯大家族，而有氧環境則更可以讓它們繁殖能力猛增。

不過氧氣含量增加對於有益腸道的厭氧細菌來說就很不友好了，它們難以在這樣的環境中存活。這就帶來了一個問題，有益的厭氧細菌會減少，而腸桿菌科細菌會大量繁殖，這是腸道內穩態失調的一個標誌。

早在2013年，B?umler教授就發現大腸桿菌等細菌可以利用硝酸鹽作為氧氣來源，進行有氧呼吸，使得本就菌群失調的炎症性腸病患者的有益菌更少，炎症更加嚴重。這項成果也發表在《科學》雜誌上[4]。

那麼硝酸鹽和氧氣是如何增加的呢？這就是B?umler教授的新發現了。首先，如果要產生硝酸鹽，誘導型一氧化氮合酶（iNOS）是一個重要的因素，於是研究人員誘導了它的編碼基因NOS2在結腸上皮細胞中的表達，然後將這些細胞放入含有大量丁酸鹽的培養基中培養。

丁酸鹽是由一系列丁酸鹽產生菌分解膳食纖維產生的，具有抗炎和免疫調節功能，這些丁酸鹽產生菌是嚴格的厭氧菌，也是腸道菌群中的重要功能類群。甚至有科學家認為，它們會成為治療炎症性腸病的新「藥物」。

研究人員發現，丁酸鹽明顯抑制了NOS2的表達，減少了iNOS的產生，自然也減少了硝酸鹽的量。也就是說，丁酸鹽可能正是硝酸鹽產生的「剋星」，它的存在讓腸桿菌科細菌失去了氧氣來源，不能大量繁殖。

而丁酸鹽作用的信號通路中有一條比較特殊，就是PPAR-γ（過氧化物酶體增殖物激活受體-γ）通路。PPAR-γ是重要的轉錄因子，在腸道中高水平表達[5]，它特殊的點在於，只能響應丁酸鹽，其他的短鏈脂肪酸和它都「不匹配」[6]。

那麼這條「唯一的通路」和抑制硝酸鹽的產生有沒有關係呢？事實證明是有的。研究人員再次培養了誘導表達NOS2的結腸上皮細胞，用PPAR-γ激動劑羅格列酮（一種曾用於治療II型糖尿病的藥物）去處理它，發現iNOS和硝酸鹽的產生都減少了。

在小鼠體內進行的實驗中，研究人員使用基因工程手段獲得了缺少PPAR-γ的小鼠，發現與野生型小鼠相比，即使不刻意殺死丁酸鹽產生菌、減少丁酸鹽含量，PPAR-γ缺陷小鼠的NOS2表達水平仍然明顯增加。這就表明，PPAR-γ這條信號通路的存在對抑制硝酸鹽的產生是必要的。

在野生型小鼠（WT）和缺少PPAR-γ小鼠（Pparg）幾種丁酸鹽產生菌比例相差不大（B）的情況下，野生型小鼠（WT）和缺少PPAR-γ小鼠（Pparg）NOS2表達量的對比（A）

綜合這些實驗，我們可以得到這樣一個思路：當攝入了富含膳食纖維的食物後，腸道中一系列厭氧的丁酸鹽產生菌可以分解它們，產生丁酸鹽，通過關鍵的PPAR-γ通路抑制了腸道細胞中NOS2的表達，減少了iNOS和硝酸鹽的產生。這樣，腸桿菌科細菌就不能利用硝酸鹽來進行有氧呼吸，不能大量繁殖，也就不會破壞腸道菌群穩態。

接下來，研究人員使用鏈黴素處理了野生型小鼠，鏈黴素是一類非常常用的抗生素，可以用來治療結核病。它的處理顯著減少了小鼠腸道細菌的數量，尤其是梭菌綱細菌，其中包含許多丁酸鹽產生菌。意料之中的，丁酸鹽的水平出現了明顯的下降，NOS2的表達則上升了，同時硝酸鹽的利用率也增加了。而且，他們發現一個受到PPAR-γ正調控的基因表達出現了下調，當給這些小鼠使用羅格列酮時，它的表達又得到了恢復，硝酸鹽的產生和利用也得到了抑制。

在腸炎小鼠模型中，使用鏈黴素減少了丁酸鹽產生菌，PPAR-γ信號通路被抑制，小鼠腸腔中氧氣和氧氣利用率增加。但是他們發現了一個很有意思的事情，不使用抗生素殺死丁酸鹽產生菌，而只單單抑制PPAR-γ時產生的氧氣是少於使用抗生素的，這是為什麼呢？

研究人員想，問題可能出在了丁酸鹽這裡，包括它在內的短鏈脂肪酸對腸道中免疫細胞的成熟起著重要作用，尤其是調節性T細胞，它起著抑制促炎症反應的作用，過去的研究也顯示，抗生素的使用會減少調節性T細胞的量[7]。於是研究人員進行了實驗，果然，用鏈黴素處理後，調節性T細胞的量減少到了原來正常值的1/3！

未使用鏈黴素處理（-）和使用鏈黴素處理（+）調節性T細胞的量的對比

接下來，研究人員又驗證了單獨缺少調節性T細胞時，產生的氧氣同樣是相對較少的，而只有它和PPAR-γ同時被抑制，才能達到足夠的氧氣含量。

這說明，丁酸鹽不僅作用於腸道上皮細胞，免疫細胞也同樣受到它的調節，共同維護腸道中的缺氧狀態，創造適合有益菌生長繁殖的環境。

這個研究為我們指出了，PPAR-γ在維持腸道菌群平衡中是一個重要且必要的信號通路，而當腸桿菌科的致病菌增加，打破腸道菌群平衡甚至導致了疾病時，靶向PPAR-γ也可以是一個潛在的治療方法。最後的最後，奇點糕還要再次提醒大家，多吃富含膳食纖維的食物，謹慎使用抗生素！

參考文獻：

[1] Mariana B, et al. Microbiota-activated PPAR-gsignaling inhibits dysbioticEnterobacteriaceae expansion.  Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aam9949

[2] Spees A M, Wangdi T, Lopez C A, et al. Streptomycin-induced inflammation enhances Escherichia coli gut colonization through nitrate respiration[J]. MBio, 2013, 4(4): e00430-13.

[3] Rivera-Chávez F, Zhang L F, Faber F, et al. Depletion of butyrate-producing clostridia from the gut microbiota drives an aerobic luminal expansion of Salmonella[J]. Cell host & microbe, 2016, 19(4): 443-454.

[4] Winter S E, Winter M G, Xavier M N, et al. Host-derived nitrate boosts growth of E. coli in the inflamed gut[J]. science, 2013, 339(6120): 708-711.

[5] Lefebvre M, Paulweber B, Fajas L, et al. Peroxisome proliferator-activated receptor gamma is induced during differentiation of colon epithelium cells[J]. Journal of Endocrinology, 1999, 162(3): 331-340.

[6] Alex S, Lange K, Amolo T, et al. Short-chain fatty acids stimulate angiopoietin-like 4 synthesis in human colon adenocarcinoma cells by activating peroxisome proliferator-activated receptor γ[J]. Molecular and Cellular Biology, 2013, 33(7): 1303-1316.

[7] Atarashi K, Tanoue T, Shima T, et al. Induction of colonic regulatory T cells by indigenous Clostridium species[J]. Science, 2011, 331(6015): 337-341.

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