《科学》重磅：科学家发现膳食纤维和抗生素影响肠道菌群平衡的关键机制！ | 科学大发现

随着肠道微生物的研究愈发受到重视，它的概念和作用也逐渐“飞入寻常百姓家”，为大家所了解。无论是研究人员还是科普人士都会提醒大家，“肠道微生物的平衡和稳态很重要，我们要保护肠道内有益的微生物” “要多吃富含膳食纤维的食物，对肠道微生物好” “要少用抗生素，会伤害肠道微生物，导致菌群失调”。

这么多忠告，记住了结论的同时，你想知道为什么吗？今天，我们就要“知其然也知其所以然”，奇点糕要通过一个新发表在《科学》杂志上的研究告诉大家，富含膳食纤维的食物对肠道微生物好，而抗生素会破坏菌群平衡的原因。

这项研究由加州大学戴维斯分校医学院的Andreas Bäumler教授带领团队完成[1]。我们的肠道通常是缺少氧气的，有很多厌氧微生物生活在其中，比如厚壁菌门和拟杆菌门的细菌，它们量大而又活跃，避免一些可以致病的肠杆菌科细菌过度繁殖，像大名鼎鼎的大肠杆菌和沙门氏菌。而且还可以消化我们吃掉的食物，产生一些有益的代谢物，比如丁酸盐。

Andreas Bäumler教授

这些厌氧细菌是如何全面压制肠杆菌科细菌的呢？主要是通过限制硝酸盐和氧气的产生[2,3]。因为大肠杆菌和沙门氏菌等肠杆菌科细菌都是兼性厌氧菌，它们在无氧和有氧的环境下均可以生长，不过在无氧环境下它们只能维持基本的繁殖，无法壮大家族，而有氧环境则更可以让它们繁殖能力猛增。

不过氧气含量增加对于有益肠道的厌氧细菌来说就很不友好了，它们难以在这样的环境中存活。这就带来了一个问题，有益的厌氧细菌会减少，而肠杆菌科细菌会大量繁殖，这是肠道内稳态失调的一个标志。

早在2013年，Bäumler教授就发现大肠杆菌等细菌可以利用硝酸盐作为氧气来源，进行有氧呼吸，使得本就菌群失调的炎症性肠病患者的有益菌更少，炎症更加严重。这项成果也发表在《科学》杂志上[4]。

那么硝酸盐和氧气是如何增加的呢？这就是Bäumler教授的新发现了。首先，如果要产生硝酸盐，诱导型一氧化氮合酶（iNOS）是一个重要的因素，于是研究人员诱导了它的编码基因NOS2在结肠上皮细胞中的表达，然后将这些细胞放入含有大量丁酸盐的培养基中培养。

丁酸盐是由一系列丁酸盐产生菌分解膳食纤维产生的，具有抗炎和免疫调节功能，这些丁酸盐产生菌是严格的厌氧菌，也是肠道菌群中的重要功能类群。甚至有科学家认为，它们会成为治疗炎症性肠病的新“药物”。

研究人员发现，丁酸盐明显抑制了NOS2的表达，减少了iNOS的产生，自然也减少了硝酸盐的量。也就是说，丁酸盐可能正是硝酸盐产生的“克星”，它的存在让肠杆菌科细菌失去了氧气来源，不能大量繁殖。

而丁酸盐作用的信号通路中有一条比较特殊，就是PPAR-γ（过氧化物酶体增殖物激活受体-γ）通路。PPAR-γ是重要的转录因子，在肠道中高水平表达[5]，它特殊的点在于，只能响应丁酸盐，其他的短链脂肪酸和它都“不匹配”[6]。

那么这条“唯一的通路”和抑制硝酸盐的产生有没有关系呢？事实证明是有的。研究人员再次培养了诱导表达NOS2的结肠上皮细胞，用PPAR-γ激动剂罗格列酮（一种曾用于治疗II型糖尿病的药物）去处理它，发现iNOS和硝酸盐的产生都减少了。

在小鼠体内进行的实验中，研究人员使用基因工程手段获得了缺少PPAR-γ的小鼠，发现与野生型小鼠相比，即使不刻意杀死丁酸盐产生菌、减少丁酸盐含量，PPAR-γ缺陷小鼠的NOS2表达水平仍然明显增加。这就表明，PPAR-γ这条信号通路的存在对抑制硝酸盐的产生是必要的。

在野生型小鼠（WT）和缺少PPAR-γ小鼠（Pparg）几种丁酸盐产生菌比例相差不大（B）的情况下，野生型小鼠（WT）和缺少PPAR-γ小鼠（Pparg）NOS2表达量的对比（A）

综合这些实验，我们可以得到这样一个思路：当摄入了富含膳食纤维的食物后，肠道中一系列厌氧的丁酸盐产生菌可以分解它们，产生丁酸盐，通过关键的PPAR-γ通路抑制了肠道细胞中NOS2的表达，减少了iNOS和硝酸盐的产生。这样，肠杆菌科细菌就不能利用硝酸盐来进行有氧呼吸，不能大量繁殖，也就不会破坏肠道菌群稳态。

接下来，研究人员使用链霉素处理了野生型小鼠，链霉素是一类非常常用的抗生素，可以用来治疗结核病。它的处理显著减少了小鼠肠道细菌的数量，尤其是梭菌纲细菌，其中包含许多丁酸盐产生菌。意料之中的，丁酸盐的水平出现了明显的下降，NOS2的表达则上升了，同时硝酸盐的利用率也增加了。而且，他们发现一个受到PPAR-γ正调控的基因表达出现了下调，当给这些小鼠使用罗格列酮时，它的表达又得到了恢复，硝酸盐的产生和利用也得到了抑制。

在肠炎小鼠模型中，使用链霉素减少了丁酸盐产生菌，PPAR-γ信号通路被抑制，小鼠肠腔中氧气和氧气利用率增加。但是他们发现了一个很有意思的事情，不使用抗生素杀死丁酸盐产生菌，而只单单抑制PPAR-γ时产生的氧气是少于使用抗生素的，这是为什么呢？

研究人员想，问题可能出在了丁酸盐这里，包括它在内的短链脂肪酸对肠道中免疫细胞的成熟起着重要作用，尤其是调节性T细胞，它起着抑制促炎症反应的作用，过去的研究也显示，抗生素的使用会减少调节性T细胞的量[7]。于是研究人员进行了实验，果然，用链霉素处理后，调节性T细胞的量减少到了原来正常值的1/3！

未使用链霉素处理（-）和使用链霉素处理（+）调节性T细胞的量的对比

接下来，研究人员又验证了单独缺少调节性T细胞时，产生的氧气同样是相对较少的，而只有它和PPAR-γ同时被抑制，才能达到足够的氧气含量。

这说明，丁酸盐不仅作用于肠道上皮细胞，免疫细胞也同样受到它的调节，共同维护肠道中的缺氧状态，创造适合有益菌生长繁殖的环境。

这个研究为我们指出了，PPAR-γ在维持肠道菌群平衡中是一个重要且必要的信号通路，而当肠杆菌科的致病菌增加，打破肠道菌群平衡甚至导致了疾病时，靶向PPAR-γ也可以是一个潜在的治疗方法。最后的最后，奇点糕还要再次提醒大家，多吃富含膳食纤维的食物，谨慎使用抗生素！

参考文献：

[1] Mariana B, et al. Microbiota-activated PPAR-g signaling inhibits dysbiotic Enterobacteriaceae 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.