猪的肠道微生物与宿主营养代谢

朱伟云 余凯凡 慕春龙 杨宇翔

(南京农业大学消化道微生物研究室，南京 210095)

猪的生长依赖于饲料营养物质在机体内的一系列转化和代谢，因此机体的健康营养代谢是猪高效健康生产的核心环节。在机体内，饲料中的营养物质首先经过动物胃和肠道代谢，也称肠道首过代谢(intestinal first-pass metabolism)，再经过肝脏代谢进入靶器官进行代谢沉积，促使机体生长，因此，营养物质的肠道代谢成为机体营养物质代谢的关键。

肠道中栖息着数量庞大复杂多样的微生物菌群，肠道微生物代谢产生丰富多样的代谢产物，构成了体内一个重要的代谢部位，许多研究甚至将肠道微生物称为体内移动的器官。肠道微生物在宿主健康中发挥着重要作用，既影响着饲料消化、营养物质吸收和能量供应，又调控着宿主正常生理功能及疾病的发生与发展。本文就肠道微生物对宿主肠道营养物质的代谢吸收，肠道对微生物代谢产物的感应以及微生物与宿主的互作进行综述。

1 肠道微生物与肠道营养物质的代谢

肠道内微生物区系和宿主间的互利共生受摄入的营养物质调控。由于小肠和大肠生理功能和内环境的不同，它们的代谢呈现区室化特征:小肠主要进行大分子营养物质的消化吸收，尤其是小肽和氨基酸;小肠内未被消化的蛋白质、碳水化合物进入大肠，被大肠内微生物发酵从而进一步利用。

1.1 小肠微生物与小肠蛋白质的代谢

机体摄入的和内源分泌的蛋白质进入小肠后，被来自宿主或者微生物的蛋白酶以及肽酶消化，生成的小肽进一步在小肠上皮细胞内分解，生成寡肽和氨基酸。传统营养学认为蛋白质只有被分解为氨基酸才能被肠道上皮吸收利用，然而，近几年来的研究发现，大量有生物活性的二肽以及寡肽能直接被肠上皮的转运载体从肠腔转运至血液［1］。此外，在仔猪上的研究发现，并不是所有的氨基酸都能完全进入血液，有30% ～60%的必需氨基酸被门静脉排流组织(PDV)截取［2］。最近的研究显示，猪小肠细胞能大量代谢支链氨基酸(亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)，但是缺乏分解代谢其他必需氨基酸的酶，如苏氨酸脱氢酶、组氨酸脱羧酶和苯丙氨酸羟化酶等［3-4］，故有推测，小肠中的微生物可能参与了小肠对饲粮氨基酸的首过代谢。Chen等［4］的研究表明，赖氨酸在体外培养的仔猪肠上皮细胞中几乎不被氧化，然而在stoll等［2］的试验中，约35%的饲粮赖氨酸在肠道首过代谢中消失，其中只有18%用来合成黏膜蛋白。类似的研究表明，体外培养的仔猪肠上皮细胞不能代谢蛋氨酸和苯丙氨酸［3］。然而有报道表明仔猪肠道内可以代谢约20%的饲粮蛋氨酸［5］以及约35%的苯丙氨酸［2］。通过这些报道可以推测，蛋氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸的肠道首过代谢很有可能是微生物的作用。

本实验室通过厌氧培养技术体外研究猪小肠(十二指肠、空肠、回肠)微生物对游离氨基酸的代谢，首次发现，十二指肠、空肠和回肠微生物能大量代谢必需氨基酸［6-7］。根据培养基中氨基酸的消失率，可大致分为3组。赖氨酸、苏氨酸、精氨酸、谷氨酸、亮氨酸属于高消失率组，24 h的消失率在90%以上。异亮氨酸、缬氨酸和组氨酸属于中等消失率组，其24 h消失率在50% ～80%之间，而脯氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和色氨酸属于低消失率组，24 h消失率低于35%。继代培养30代后，小肠微生物仍能大量代谢赖氨酸、苏氨酸、精氨酸和谷氨酸，其24 h消失率均在50%以上［6］。而组氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的消失率显著下降，培养30代后氨基酸的24 h消失率在30%左右。这些研究表明，肠道细菌确实参与氨基酸的肠道首过代谢。我们最新的研究进一步表明，肠道不同区室的微生物对氨基酸的代谢存在差异［8］。通过体外发酵技术研究肠壁松散连接微生物和肠壁紧密连接微生物对氨基酸的代谢，我们发现肠壁紧密连接微生物对氨基酸主要表现出较强的合成能力，而肠壁松散连接微生物对氨基酸既存在合成也存在利用［8］。

小肠不同区室微生物对氨基酸代谢的差异对宿主整体氨基酸的代谢有着重要的贡献。肠道微生物对氨基酸的代谢在一定程度上修饰了氨基酸的组成模式。比如微生物可以大量代谢肠壁细胞无法代谢的赖氨酸，而对宿主可以代谢的支链氨基酸的利用很低。这说明肠道微生物和肠上皮细胞在氨基酸的代谢方面有着协同效应。尽管肠腔微生物对氨基酸的代谢在营养上可能是一种浪费，但是，肠壁微生物利用氨合成氨基酸又能在一定程度上缓解宿主对氨基酸的需求。所以，肠道微生物在宿主对营养物质的消化代谢的过程中有着及其重要的作用与意义。

1.2 大肠微生物与碳水化合物的代谢

盲肠和结肠是猪机体内粗纤维消化发酵的最主要部位。由于纤维类物质不被小肠消化，其进入大肠后主要由大肠微生物发酵。大肠中拥有数量庞大(1012)、种类繁多的微生物，其中有大量的纤维降解细菌，如瘤胃球菌、普雷沃菌等。研究表明，摄入富含抗性淀粉的食物后，肠道中的厚壁菌门细菌，如瘤胃球菌、真杆菌属，可能在代谢碳水化合物中发挥主要作用［9］。而对肠道内大量细菌的基因组进行分析发现，肠道菌群中某些拟杆菌门细菌基因组中含有较多编码糖苷水解酶和多糖裂解酶的基因，编码的酶类能促进多糖的降解［10］。这些结果表明大肠不同的微生物类群在碳水化合物代谢中可能承担不同的作用，但有待更深入研究。碳水化合物在盲肠和结肠内被微生物发酵产生大量短链脂肪酸(SCFA)，包括乙酸、丙酸、丁酸等。同时，SCFA也是蛋白质降解和氨基酸发酵的主要产物。比如梭菌(Clostridium)可以通过丙烯酸途径发酵丙氨酸产生丁酸，也可以在苏氨酸脱氢酶的作用下发酵苏氨酸产生丙酸。此外，甘氨酸也可以通过斯提柯兰氏(stickland)反应产生乙酸等。大肠微生物发酵产生的SCFA对宿主有着重要的生理功能，如抗病原微生物、抗肿瘤、调节肠道菌群、改善肠道功能、维持体液和电解质平衡、给宿主尤其是结肠上皮细胞提供能量等。研究表明，SCFA可为机体提供10% ～15%的能量，其中丁酸能够作为结肠上皮细胞的能量来源，乙酸和丙酸则参与肝脏的能量代谢［11-12］。此外，大量试验表明饲粮中富含粗纤维可以刺激肠道黏膜的生长和功能，已有研究证实上皮细胞的这种营养效应是通过SCFA介导的［13-14］。

2 肠道对营养物质的感应

动物胃肠道不仅是消化器官，还是一个感应器官，是机体面向外界表面积最大的一个器官(约100 m2)，这庞大的表面积可以感应肠腔里的各种化学物质和有机体，包括营养物质、微生物及其代谢产物，甚至毒素。肠道对营养物质的感应可以通过脑肠轴(gut-brain axis)调节机体生理活动。

2.1 肽和氨基酸的感应

肠道内存在多种多样的微生物，不同微生物对肽和氨基酸的利用能力不同，肠腔内游离的肽和氨基酸能够作为肠道微生物的主要氮源，参与微生物蛋白质合成、核酸代谢、能量供应及其他细胞内代谢过程。肠道内主要降解蛋白质的细菌种属有拟杆菌属、丙酸菌属、梭菌属、链球菌属、乳杆菌属等。研究表明，猪空肠或回肠的微生物能够选择性氧化赖氨酸、苏氨酸和精氨酸，而某些革兰氏阴性细菌，如菌克雷伯菌(Klebsiella spp.)和普雷沃菌(Prevotella spp.)可以合成谷氨酰胺、亮氨酸、异亮氨酸、精氨酸等［7，15］。肠道微生物代谢的氨基酸为宿主提供营养来源的同时，能作为信号分子调节肠道乃至整个机体的生理活动。

肠腔内蛋白质消化后的肽和氨基酸可以被胃肠道上皮细胞表面的受体识别，包括味觉受体1(T1R1)、味觉受体 2(T1R2)、味觉受体 3(T1R3)、G蛋白偶联受体93(GPR93)、钙敏感受体(CaSR)、G蛋白偶联受体C型6A(GPRC6A)等。有研究表明，肠上皮细胞表面的T1R1/TIR3异二聚体受体可以感应肠腔内的色氨酸，激活受体的磷酸化过程，将下游信号传递至哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号分子，激发细胞内核酸转录和蛋白质合成［16］。肠道内的谷氨酸能够作为T1R1/TIR3受体的配体参与营养物质感应，也作为肠上皮细胞提供了主要的氧化燃料，同时，谷氨酸也是一种重要的神经递质。肠周围神经系统中存在转运谷氨酸的囊泡膜谷氨酸转运体1和2(VGLUT1和VGLUT2)，小肠谷氨酸增加能够促进腹腔迷走神经的传入神经活性，调节神经行为［17］。氨基酸作为配体，不仅参与mTOR信号的活化，也参与饱感激素的产生和激素信号调控。GPR93、CaSR等对氨基酸的识别可以诱导小肠L细胞产生调节性脑肠肽，如酪酪肽(PYY)、胰高血糖素样肽(GLP-1)、胆囊收缩素(CCK)、胃饥饿素(ghrelin)等。研究发现，大鼠摄入富含蛋白质的饲粮后，蛋白质水解产生的寡肽能够作为阿片受体的拮抗剂，寡肽激发的信号通过阿片受体，传递给脑部神经中枢，脑部神经又输出饱感信号至肠周围神经丛，引起肠道内的糖异生过程增加，葡萄糖被肠系膜静脉的葡萄糖感受体识别，识别后活化信号传递至中枢神经，进一步引起饱感［18］。SCFA和游离氨基酸诱导肠上皮细胞产生的PYY，能够作用于神经系统，调节食欲，也有研究表明，外源的PYY干预可以显著改善肥胖［19］。同时，研究发现，肠道微生物能够代谢蛋白质产生宿主细胞不能合成的肽类物质，如精氨酰谷氨酰胺和丙氨酰丙氨酸［20］。已有研究表明猪空肠上皮细胞能够表达二肽转运体小肽转运蛋白(PepT1)［21］并具有转运某些三肽如甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸(Gly-Pro-Hyp)的能力［22］。对断奶仔猪研究表明，小肠上皮对二肽丙氨酰谷氨酰胺和甘氨酰谷氨酰胺的吸收效率高于谷氨酰胺单体［22］，因此微生物代谢产生的肽类物质可能通过小肠上皮的肽类转运系统影响机体代谢。所以，在过去的脑肠轴的基础上，又提出全新的概念，微生物-肠道-大脑轴(bug-gut-brain axis)。

2.2 碳水化合物的感应

摄入的多糖类物质是肠道微生物的主要能量来源之一，肠道细菌(如拟杆菌)基因组中含有较多编码糖苷水解酶和多糖裂解酶的基因，编码的酶类能促进多糖的降解［10］。碳水化合物在盲肠和结肠能够被降解为SCFA，包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸等。

乙酸、丙酸和丁酸能够被肠道内分泌细胞表面的G蛋白偶联受体41(GPR41)和G蛋白偶联受体 43(GPR43)识别，诱导产生 PYY［23］。PYY的增加可以减缓肠道传递时间，增加饱腹感。丁酸被上皮细胞表面受体GPR41识别后，能够通过丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)介导的信号途径，促进机体对炎症反应的应答［24］。丁酸还能够调节中性粒细胞功能，增加结肠上皮组织紧密连接蛋白的表达［25］。肠道微生物代谢产生的乙酸和丙酸经过转运至肝脏，可以用于肝脏的脂肪合成和糖原异生过程。微生物介导的SCFA代谢也参与肥胖过程。摄入高热量食物后，肠道内产生的过多的丁酸转运至脂肪组织后，可能与脂肪细胞表面的GPR41结合，导致脂肪细胞内脂肪合成作用增加，脂肪水解过程减弱，引起脂肪的积累，进而导致个体出现肥胖。最近的研究表明，在小鼠体内，肠道微生物代谢产生的SCFA转运至白色脂肪组织后，能够活化脂肪细胞GPR43，GPR43通过蛋白激酶C介导的作用，抑制胰岛素活性发挥的关键过程——蛋白激酶B的磷酸化，导致脂肪细胞胰岛素敏感性降低，脂肪消耗增加，从而避免脂肪积累［26］。最新研究发现，摄入过量碳水化合物引起的食欲降低与微生物发酵产生的乙酸有关;对小鼠腹腔注射乙酸后，小鼠食欲降低，而且结肠微生物产生的乙酸能够通过血脑屏障并被脑部摄取，进而促进抑制食欲的神经肽表达，表明乙酸可能直接作用于中枢系统食欲的调节［26］。这些研究表明，肠道微生物的代谢参与了体内很多物质代谢和生理过程，它们影响着机体的整体代谢。

3 宿主－微生物代谢轴(host-microbe metabolic axis)

肠道微生物与机体形成了宿主-微生物代谢轴，对动物机体营养物质代谢和免疫稳态起重要作用。肠道内正常的微生物菌群能够代谢摄入的以及内源性的大分子碳水化合物、蛋白质、脂肪酸等，同时与机体代谢互作产生各种代谢物质，如SCFA、氨基酸、小肽、多胺以及胆酸盐、甲基供体等。而正是这些代谢产物对肠上皮组织乃至整个机体的物质代谢和免疫稳定发挥着重要的作用［25］。同时，肠道细菌含有病原体相关的模式分子，如脂多糖、肽聚糖等，可以引起肠上皮细胞的免疫应答。由于肠道内微生物及其代谢产物与肠上皮组织存在广泛的互作机制，同时微生物对肠腔内的营养物质进行代谢，微生物菌群的改变常常伴随肠道内环境功能的改变，进而导致机体整体代谢稳态的变化。

饲粮对宿主代谢的改变，常伴随有肠道微生物区系的变化，肠道微生物的代谢又能调节宿主很多生理过程。研究发现，采食高蛋白质饲粮(19.8%或20.1%粗蛋白质)的断奶仔猪和采食低蛋白质饲粮(14.5%或14.8%粗蛋白质)仔猪结肠食糜中腐胺、亚精胺、组胺、氨氮和支链脂肪酸浓度增加，食糜中柔嫩梭菌群细菌丰度增加，且结肠细胞因子白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素 -10(IL-10)、转化生子因子 - β(TGF-β)和黏蛋白MUC1、MUC2、MUC20基因表达显著上调;而提高饲粮中可发酵碳水化合物，减少蛋白质水平后，潜在的毒性物质(如腐胺、亚精胺)浓度降低，炎症因子表达没有显著上调，同时，球形梭菌(Clostridium coccoides)的丰度显著增加［27］。该研究表明猪大肠微生物影响营养物质的代谢和宿主的免疫应答过程。母猪饲粮中添加34%的抗性淀粉能够增加结肠产丁酸菌柔嫩梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)、布氏瘤胃球菌(Ruminococcus bromii)丰度，降低潜在致病菌大肠杆菌和假单胞菌属丰度，同时增加结肠挥发酸性脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸浓度［28］。公猪饲粮中添加34%的抗性淀粉能够诱导近端结肠上皮组织三羧酸(TCA)循环和脂肪酸氧化过程的加强，但抑制细胞分化、固有免疫和适应性免疫应答，增加近端结肠产丁酸菌柔嫩梭菌和埃氏巨球形菌(Megasphaera elsdenii)丰度，降低潜在病原体钩端螺旋体属的丰度，同时，增加颈动脉血液中乙酸、丙酸和丁酸浓度。这些结果表明，饲粮中添加抗性淀粉引起肠道微生物区系改变，微生物代谢产物相应发生变化，同时菌群的变化可能导致肠上皮组织的代谢和免疫应答改变［29］。8日龄新生仔猪饲粮中添加抗生素(氨苄青霉素、庆大霉素和甲硝唑混合添加)10 d后，结肠菌群多样性显著降低，益生性双歧杆菌数量受到抑制;同时，抗生素通过减少肝脏中尿素合成，降低血液尿素浓度，并增加血液中苏氨酸浓度，促进苏氨酸周转，减少近端小肠和肝脏的蛋白质合成速率，但不影响远端小肠、结肠的蛋白质合成［30］。该研究表明，猪肠道微生物在宿主氨基酸利用方面发挥不可忽视的作用，干预微生物能引起代谢变化，因此今后的研究需注重微生物在营养物质代谢中的作用和意义。

目前，微生物代谢产生的肽类、氨基酸、脂肪酸等物质与机体的互作机制，在啮齿动物模型和体外研究中有较多研究，但在哺乳动物(如猪)中研究较少，这种互作对猪肠道内环境的稳定和营养代谢的意义还有待更深入挖掘。

4 小结

猪肠道不同肠段的微生物在营养物质代谢中发挥的作用不同，十二指肠、空肠、回肠细菌对氨基酸的代谢能力不同，肠壁微生物和食糜微生物对氨基酸的利用也有差异;大肠微生物主要负责对碳水化合物的发酵，产生的SCFA作为重要的代谢产物调节机体代谢过程。微生物-肠道-大脑轴将微生物和机体代谢行为联系起来，微生物的代谢产物作为配体能够结合其在肠上皮组织或肠周围神经系统的配体，引起脑肠肽释放，改变食欲，某些代谢产物如乙酸则具有直接调节脑组织生理活动的作用。宿主微生物互作轴在体内具有重要的生理意义。微生物具备对营养物质较强的代谢和应答能力，包括微生物区系的改变和代谢的变化，进而发挥其在机体代谢和免疫调节中的角色。研究猪肠道微生物组成与营养物质的代谢，有助于加深关于肠道微生物对机体代谢贡献的认识，为完善饲粮组成以及提高营养素的吸收利用提供参考。

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