达能营养中心第十届学术研讨会论文集

陈恒 裴晓方
（四川大学公共卫生学院医学检验教研室，成都，610041）

摘要：21世纪肥胖日益成为严重的公共卫生问题，作为一种疾病，在肥胖的预防和控制方面，对其成因的研究显得十分重要。最近研究表明，肠道微生物可能是肥胖的一大诱因，其对于肥胖的贡献通过与人体的共生和共进化来体现。肠道微生物能降解代谢许多人体不能消化的多糖，提供给宿主额外的能量，而宿主为微生物提供食物来源以及厌氧环境，二者形成合作互利的共生关系。微生物的种类和相互比例与肥胖密切相关，优势菌群硬壁菌门和拟杆菌门在其中起主要作用，并且在肥胖和非肥胖者中存在数量差异，这一差异能够复制并转移的。同时，肠道微生物在和人类长期的共生关系中形成较为稳定的群落组成方式，并且以亚种的多样性和基因的弹性表达来应对宿主和群落水平上的选择压力。肠道微生物通过影响宿主能量的平衡来诱发肥胖。

关键词：肥胖；肠道微生物；共生；共进化

WHO建议以BMI作为肥胖判定的标准，即将BMI（Body mass index体质指数）＞30kg/m2定义为肥胖。肥胖使糖尿病、高血压、动脉粥样硬化的危险度大大增加，由此引发的代谢综合征成为继吸烟之后的第二大死因。发达国家肥胖现象十分普遍，发展中国家肥胖问题也日益凸显。在美国，1/3的人超重或者肥胖，世界上已有超过5亿的肥胖人群，并持续增加。肥胖成为日益严峻的全球性公共卫生问题。目前，关于肥胖的病因研究进展迅速，为人们解释肥胖现象提供了可能。多数学者认为，肥胖是多因素作用的结果，环境、营养、个人行为、基因等是研究的重点。最近的研究结果表明，肠道微生物与肥胖的形成也有一定关系，引起学者广泛关注。本文就此作简要综述，以期为解释肥胖成因、进而预防控制和治疗肥胖提供参考。

1 肠道微生物概述
人体的肠道是一个厌氧的环境，寄居着数以百兆的微生物，基因数量丰富，是人类自身基因的100倍。宏量基因组学的研究表明，肠道微生物以细菌和古生菌为主。细菌门类多样性较差，以硬壁菌门和拟杆菌门占优势，也有少量的变形杆菌。而古生菌则以“嗜温产甲烷菌”为主。该群落组成与废水、土壤等生境相似，提示环境可能是选择/决定微生物（细菌）类别的主要因素。
拟杆菌门以多形拟杆菌为代表，能降解一大类人体不能被消化的植物多糖（如纤维素、半纤维素、果胶、抗性淀粉等）。在已知的九大多糖消化酶家族中，人体肠道中可能含有一种，而小鼠几乎没有，与此相对应，多形拟杆菌含有64种多糖降解相关的酶（糖苷水解酶、多糖酶等），因此具有强大的消化多糖的能力，从而为宿主提供额外的能量。碳水化合物来源的能量，有10—15%依赖于肠道细菌的酵解。而在接种了多形拟杆菌10天以后，小鼠盲肠内己糖的浓度显著降低，提示在提供能量的同时，该细菌还能通过某种途径增加宿主对于单糖的利用。有研究表明，糖类代谢与肥胖呈一定程度相关。体内多余的葡萄糖，除少量合成糖原储存在肝脏和肌肉以外，大部分将合成脂酸和脂肪在脂肪组织中储存。对于餐后血糖的研究提示，高血糖对于肥胖有促进作用。因此，拟杆菌对机体糖代谢的影响可能是肥胖的一大诱因。
目前对于硬壁菌门的基因测序尚未完成，但有资料显示，硬壁菌门代表细菌直肠真杆菌至少含有44种与抗性淀粉降解酶有关的基因。硬壁菌门与拟杆菌相似，也能降解人体所不能降解的多糖，为人体提供能量，其终产物以丁酸盐为代表。
在多糖代谢的过程链中，古生菌是最后的微生物环节。微生物降解多糖为短链脂肪酸，二氧化碳和氢气。“嗜温产甲烷菌”通过产生甲烷来降低氢气的分压，有利于维持厌氧的环境，并因此增加了微生物的发酵效率。对小鼠接种人体肠道内的“产甲烷菌”和/或拟杆菌后发现，混合接种不仅提高了发酵的效率，还增强了细菌分解的专一性，与单一接种相比，显著提高了肥胖的发生率。

2 肠道微生物与肥胖
传统观点认为，肠道微生物与人类结成共生关系，在漫长的进化过程中形成互利的利益组合体，参与和辅助人类的能量代谢。肥胖作为一种长期能量失衡的结果，其产生也可能与肠道微生物有关。
2004年，Bckhed等人的一项研究结果表明，肠道微生物可能影响机体能量的储存，提示肥胖可能与其有关。将无菌小鼠接种正常小鼠的肠道细菌14天后，在食物摄入降低29%的情况下，其体脂增长达42%。这一结果在不同性别和种系的老鼠中得到证实。进一步的研究表明，这种改变可能与以下因素有关：（1）肠道微生物对于人体未能消化的多糖的分解代谢，为人体提供了更多可利用的能量，其代谢产物短链脂肪酸，能够诱导脂肪的形成；（2）对小鼠进行间接测热，接种细菌后的小鼠与对照相比，有更高的代谢率，其三羧酸循环也大大高于对照，但与此同时，ATP并未增加。即机体的无效循环增加，多余的能量以脂肪的形式被储存，增加了肥胖的相对危险性；（3）电镜观察，肠道细菌能使肠道微绒毛倍增，极大地增加了肠道消化吸收的有效面积，提高了能量的吸收；（4）机体中，LPL能介导脂肪组织蓄积甘油三酯。微生物能抑制肠内上皮对Fiaf（循环LPL抑制因子）的表达。对无菌老鼠，传统老鼠的野生型与Fiaf/老鼠的比较证明，在微生物诱导脂肪储存增加中，Fiaf是生理上重要的LPL活动调节者。因此，肠道微生物通过这一途径间接影响了甘油三酯的蓄积。（5）对接种细菌后的小鼠肝脏mRNA的分析表明，其脂肪合成酶和与脂肪合成有关的配体的表达都显著增加，虽然具体的机制还未明确，但直接的结果就是促进了脂肪的合成。
肠道微生物的两个优势种群硬壁菌门和拟杆菌门在人和小鼠中具有一定的相似性，该实验结果对于解释人类的肥胖有一定意义，即肠道微生物对脂肪的蓄积有促进作用。而肥胖的个体差异，可能要归因于肠道微生物（细菌）的群落差异，不同的肠道微生物对于机体的能量代谢有着不同的作用。
2005年，Ruth等人的研究表明，肥胖小鼠(ob/ob)与非肥胖小鼠（/）肠道微生物存在差异。与非肥胖小鼠相比，ob小鼠拟杆菌的数量少（50%），同时具有更多的硬壁菌门细菌。同时对12名肥胖患者进行跟踪研究，分别给与脂肪限制饮食和碳水化合物限制的饮食。一年后，前者体重下降2%，后者体重下降6%，同时进行的16sRNA研究表明，不论哪种饮食，减肥后肠道内的硬壁菌门数量下降（P=0.002），拟杆菌门数量上升（p＜0.001），并不伴随细菌种属的增加和灭绝。值得说明的是，这一改变与摄入食物的总能量并无关连。
2006年另一项与此有关的研究表明，肥胖小鼠（ob/ob）与非肥胖小鼠（/）的肠道微生物群落的差异可以转移和复制。与非肥胖小鼠相比，肥胖小鼠具有更高的能量吸收的效率，并且其排泄物中能量更低（摄入能量相同）。同时，肥胖小鼠肠道中含有更多的古生菌。此外，ob小鼠富含早期降解多糖的酶，能经KEGG通路代谢淀粉、半乳糖、丁酸盐。将二者的肠道微生物分别接种于无菌小鼠，并且喂饲相同的饲料两周。微生物群落在此期间没有变化，但接受ob小鼠肠道微生物者具有更明显的体重增加。由此可见，在营养摄入相同的条件下，肠道微生物几乎可以决定宿主的能量吸收。
3 人体对肠道微生物的影响
在肠道微生物影响甚至一定条件下决定宿主能量的吸收的同时，肠道微生物也受到宿主诸多因素的制约和影响。宿主通过饮食的改变和机体免疫选择和影响肠道微生物的数量和种类，而后者通过种类和基因的多样性来应对。
如前所述，肠道微生物（细菌）在门类上数量很少。严格说来，肠道中细菌有八种门类，其中五门的数量极其稀少可以忽略，而余下三门中，变形杆菌不占优势，事实上，肠道就以硬壁菌门和拟杆菌门为主。尽管如此，在更低水平的分类上，肠道微生物（细菌）保持了极大的多样性。根据对单个研究对象（人）的肠道细菌的16SRNA分析，有约800余种7000多株的细菌。如此的多样性，使其作为一个整体来面对环境的改变（压力），从而提高了其适应环境的灵活度和弹性。一个废水处理系统的研究表明，虽然各种亚群的数量出现无规律的变化，但是对于系统的基质代谢率却并未下降。由此说明，功能丰余性对于肠道微生物作为群落的稳定性来说非常重要。
肠道微生物的基因数量异常庞大，远远超出人类基因组的总和。这对于其适应多变的环境极其有效，确保其能在与宿主共生的过程中，根据环境有选择性的表达基因，来获取营养、躲避免疫攻击以及其他种群的攻击（如噬菌体）。以多形拟杆菌为例，其基因含有1个质粒，63个转座子，43种剪接酶以及4种结合转座子同系物。因此当肠道营养环境变化的时候（单糖为主/多糖为主），多形拟杆菌可以选择性的表达不同亚型的淀粉利用体系蛋白(SusC和SusD)来最高效的利用营养源，同时表达不同的CPS来增加对食物的粘附。而CPS的改变对于逃脱宿主的免疫识别十分有效。

肠道微生物通过以上途径和方式来适应环境，其目的在于与宿主建立良好的共生关系，在确保宿主利益的同时，保障自己的利益最大化。而基于这一点，宿主的营养状况可以影响肠道微生物的群落组成，尤其是在其形成的初期；后者一旦形成比较稳定的群落，又反过来影响宿主的能量吸收。
从个体水平而言，婴儿期的营养不良会导致成人期的肥胖。母乳喂养对于预防肥胖有一定作用。这与个体肠道微生物的组成有关。刚出生不久（3-4小时）的婴儿肠道内便开始有细菌开始定植。开始几天细菌群落组成比较单一，但是随着年龄增加，细菌组成逐步趋于复杂化。研究显示，断乳期前后婴儿肠道的细菌会发生种群的改变，以适应营养环境的改变。对土壤生境的微生物群落的研究表明，未有植物生长的区域和植物根系周围的区域，其菌落组成是不同的。原因是植物生长过程中，会产生一定的代谢物，影响根系周围的营养环境，该环境内微生物群落通过自然选择形成合适的比例和种群。与此类似，人类饮食结果的改变导致肠道内可获取的营养环境改变，尤其是在肠道微生物形成初期，将深刻影响其组成和代谢方式，进而对宿主后期（成人后）的能量代谢产生影响。
总之，共生的原则是互利，细菌以能产生最大利益为前提进行菌群组合和代谢方式的调整，以维持共生关系。因此，虽然硬壁菌门和拟杆菌门都具有相似的降解多糖，促进机体能量吸收的作用，但在肥胖小鼠（人）体内和非肥胖者体内具有差异性的相对比例，这可能与其利益最大化有关。即前者的组成方式对微生物和宿主来说可能是利益最大化的，这是在漫长的共进化过程中形成的一种“平衡”，虽然这与人类对于非肥胖的偏好相悖。

4 肠道微生物与人类共进化
一项基因数据库的调查表明：不同种类的哺乳动物体内存在不同的拟杆菌属亚种，而它们来自共同的祖先。这暗示了拟杆菌与哺乳动物的共生体系应该是古老的，并且不同亚种的产生是其与宿主共同进化的结果。并且基于拟杆菌属成员与其宿主（哺乳动物）的关系密切，推测互利共生的生活方式有利于加速进化。而对于人类肠道微生物的研究中发现，同一民族范围内菌群相对稳定，同样暗示肠道微生物与宿主保持的共同的进化过程。
近二三十年，肥胖呈现出快速增长的趋势，这与生产力发展，生活水平提高有关，即整体的营养过剩可能是群体肥胖的诱因。1962年，Neel提出节俭基因（thrifty gene）假说解释这一现象，得到广泛的认可。该假说认为，进化早期贫穷和饥饿的环境中，人类的祖先为适应环境，会逐渐形成一种储存剩余能量的能力，而自然选择会保留这些倾向于能量储存关联基因。基因的变异和再选择是一个漫长的过程，在未发生明显遗传改变之前，能量储存基因型暴露于现在食物供给丰富的环境中，即转化为对机体损害的作用，引起肥胖。而对于肠道微生物来说，同样经历了早期的饥荒，自然选择的结果保留的仍然是有利于能量储存的基因，有利于宿主能量储存的同时，也有利于自身营养的供给，从而避免被宿主淘汰和群落间竞争失利。因此，肠道微生物对于食物的分解和代谢会处在一个较高的水平，在早期的环境中，这对宿主是有利的，但在现在营养过剩的环境下，这一“优势”成为了弊端，导致了肥胖的发生。
综上，肠道微生物对于肥胖的贡献通过其与人体的共生和共进化来体现。一方面，肠道微生物代谢多糖，提供给宿主额外的能量，而宿主供给微生物食物来源并提供厌氧环境，二者形成合作互利的共生关系。另一方面，肠道微生物在和人类长期的共生关系中形成较为稳定的群落组成方式，并且以亚种的多样性以及基因的弹性表达来应对宿主和群落水平上的选择压力。共同的结果即肠道微生物通过影响宿主能量的平衡来诱发肥胖。尽管如此，肠道微生物与肥胖的关系还不完全明确，诸多理论还有待进一步实验的证实，才能为肥胖的预防和控制提供切实可靠的依据。

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