性激素介导的肠道微生物与宿主的相互作用

张浏莲

（东北农业大学 动物科学技术学院，哈尔滨 150030）

哺乳动物胃肠道中的细菌种类约有1 014种，这是构成大多数哺乳动物的真核细胞总数的10倍。微生物基本上覆盖在宿主黏膜表面，大部分存在于胃肠道内。“正常”的肠道微生物群主要由厌氧菌组成，厌氧菌的数量是需氧菌和兼性厌氧菌的100～1 000倍。总的来说，肠道微生物群由500～1 000个菌种组成。不同物种（包括人类）对微生物的易感性不同，这主要取决于宿主的年龄、性别和生殖状况等。男性和女性在不同生殖时期，其睾酮、雌激素、孕酮会呈现不同变化，在青春期，男性通常睾酮水平较高，成年后睾酮浓度会逐渐下降。青春期的女性雌激素呈现较高水平，育龄期孕酮和雌激素浓度逐渐升高，在妊娠期间浓度最高。有研究证明在妊娠晚期女性孕酮和雌激素浓度比未妊娠女性高出几倍，随着生殖衰老，女性雌激素和孕酮水平发生波动后下降。从宿主的角度来看，性激素在整个生命周期和性别之间的不同会改变包括免疫功能、生殖功能等生理功能。常常被忽视的一个事实是，微生物也可以利用性激素来实现自身的生存、调节和繁殖。本研究旨在从性激素角度阐述肠道微生物与宿主之间是有相互作用的，其中微生物可以改变和利用宿主激素来促进生长和实现生存。

1 不同性别、妊娠与否及妊娠期不同阶段肠道微生物差异与性激素的互作

1.1 肠道微生物概述

所有的高等生物都有微生物群落，该群落主要由细菌组成，但也包括古生菌、病毒、真菌、原生动物。微生物基本覆盖在所有宿主黏膜表面，但大多驻留在胃肠道黏膜内。到目前为止，人类肠道内最丰富的菌门是Firmiccus和Bacteriodetes，其他主要的菌种为Proteobacteria、Verrumicrobia、Actinobacteria、Fusobacteria和Cyanobacteria。在胃肠道内可以发现微生物分布的两个梯度，首先微生物密度从近端到远端肠道（胃每克内容物含有微生物1×104个／g、十二指肠1×104～1×105个／g、空肠1×106～1×107个／g、回肠1×107～1×108个／g、结肠1×1012个／g）和组织相连管腔中（附着在组织或黏膜上的细菌很少，但管腔中存在大量细菌）。微生物的多样性也以同样方式增加。事实上，肠道微生物区系的代谢能力相当于一个肝脏，因此有人将其比喻成一个单独的器官。例如，它们促进了难以消化的多糖的新陈代谢，并产生必需维生素，它们也是宿主肠道上皮细胞免疫分化所必需的，可以作为防线使机体免受病原体的入侵。最近的研究也进一步揭示了在不同物种、不同性别、不同生理状态下肠道微生物也有特殊的变化。

1.2 性别差异与肠道微生物

微生物群主要存在于脊椎动物的皮肤、肠道、肺部、口腔和生殖器中。哺乳动物微生物群和性激素之间存在显著的相互作用，这种相互作用的差异会在哺乳动物年龄、性别、疾病的发病机制上引发不同的影响。在鼠上研究表明，肠道微生物的性别差异在青春期后才能观察到，将雄性小鼠的肠道共生体过继转移到雌性小鼠身上会导致性激素水平发生系统性（即雌性、雄性激素浓度增加）和自身免疫性疾病（例如Ⅰ型糖尿病）发病机制的变化［1］。E.Org等［2］在针对不同性别小鼠微生物差异研究中发现，雄性比雌性的微生物结构波动大，其中性别差异在C57BL／6J和C3H／HeJ菌株中最为明显，但不同菌株间多细菌属的变化幅度和方向不同，说明除性别之外与宿主基因型也存在联系；并发现了激素与微生物相互作用对Ⅰ型糖尿病有保护作用。S.Mueller等［3］在对人类性别微生物菌属差异的样本试验中观察到，普雷沃泰菌属数量男性显著高于女性，其他菌属无显著差异。A.J.Kozik等［4］在患有结肠炎的雌性和雄性小鼠微生物菌群研究中发现，雌性小鼠有更丰富的Turicibacter、Unclassified和Clostridiaceae。而Turicibacter已被证明与结肠炎有重要的关系；该结果也暗示了肠道菌群的性别组成结构差异与疾病相关。F.Gwen等［5］发现，与男性相比，女性肠道微生物群的α多样性更大，男性的细菌相对丰度（包括普雷沃氏杆菌）高于女性。这与之前的研究结果相同。此外，与女性相比，男性的Crostridia、Metano Breviella和Desulfo Vibrio丰度较低。

1.3 妊娠期母猪肠道微生物变化

肠道中微生物数量和种类繁多。有研究表明，仔猪、育肥猪及母猪肠道微生物中厚壁菌门和拟杆菌门为优势菌门，妊娠后期和泌乳期母猪肠道微生物中的优势菌门仍为厚壁菌门和拟杆菌门。厚壁菌门和拟杆菌门参与碳水化合物的降解与发酵，在大肠中的发酵产物为短链脂肪酸。有研究表明，短链脂肪酸可为机体提供10% ～15%的能量，说明厚壁菌门和拟杆菌门在宿主能量代谢中发挥着重要作用［6］。

针对不同品种的试验结果表明，妊娠期到泌乳期大白母猪直肠微生物α多样性下降，长白母猪也有同样效果；但在相同条件下，荣昌母猪的粪便微生物α多样性却不受妊娠期和泌乳期的影响［7］。从菌群的变化情况来看，妊娠期和泌乳早期母猪肠道优势菌属为厚壁菌门中的乳酸菌属和拟杆菌门的普雷沃氏菌属［8］。普雷沃氏菌属细菌可以降解纤维类多糖，如纤维素和木质素，发酵产生乙酸和丙酸，乙酸和丙酸可被转运至肝脏分别参与脂肪和葡萄糖的合成，为母猪提供能量。也有研究表明，从妊娠期到泌乳期的乳酸菌属相对丰度增加，从妊娠期第93天到泌乳期第21天，乳酸菌属的相对丰度显著提高。乳酸菌可以提高母猪健康水平和繁殖性能，同时还可提高仔猪的健康水平和生长性能、抑制病原菌和降低腹泻发生。

以上研究表明，在妊娠和泌乳时期肠道微生物都有不同程度的变化，原因可能是由于性激素以及生理状态所引起的改变，具体原因需要进一步的探究证明。

1.4 性激素与肠道微生物在妊娠期间的免疫作用

研究表明，与妊娠相关的性激素浓度会降低NK细胞、炎性巨噬细胞和Th1细胞活性以及炎性细胞因子的产生，而增加调节性T细胞的活性和抗炎细胞因子的产生，进而改变对微生物感染的免疫反应［9］。例如，B.J.Luft等［10］发现，妊娠雌性小鼠比未妊娠雌性小鼠更容易感染弓形虫，且疾病发生更为迅猛。C.W.Roberts等［11］报道，感染早期NK和T细胞的活性以及IL－12、干扰素－γ和肿瘤坏死因子－α的产生是诱导获得性免疫反应和清除寄生虫所必需的。在弓形虫感染期间，妊娠雌性比未妊娠雌性产生的干扰素－γ要少得多。给妊娠雌性小鼠注射重组干扰素－γ可以改善弓形虫感染，减少寄生虫的先天性传播［12－14］，防止直接伤害发育中的胎儿［15］。越来越多的证据表明，性激素增加了妊娠女性对弓形虫病的易感性。雌性小鼠雌二醇（E2）水平较高，性腺切除后E2水平下降的同时会减少寄生虫数量和疾病发病率［16］。高浓度的孕酮还通过抑制IL－12和干扰素－γ的产生而增加妊娠期间对弓形虫的易感性。

2 性激素与肠道微生物互作

2.1 雌激素与肠道微生物

雌激素是一种C－18类固醇激素。内源性雌激素的主要形式是E2（绝经前的非妊娠女性体内含量较高）、雌酮（E1，女性绝经后体内含量较高）和雌三醇（E3，女性妊娠期体内含量较高）。雌激素以游离或蛋白结合的形式存在于血液循环中，并发挥多种生物学效应。母体雌激素（E2、E1）经过肝脏代谢，甾体环C－2、C－4或C－16位发生不可逆羟基化，导致雌激素代谢物作用强度和半衰期不同。在肝脏中，雌激素与其代谢物（包括通过羟化和随后甲基化的儿茶酚雌激素）通过葡萄糖醛酸化或磺化结合，结合后的雌激素通过胆汁、尿液和粪便排出。对女性注射放射性标记E2、E1和E3的研究表明，大约65%的E2、48%的E1和23%的E3在胆汁中出现。大约10% ～15%经过放射性标记的E2、E1和E3以共轭形式存在于粪便中，大剂量的雌激素在循环中被重吸收［17］。肝内结合后的雌激素在胆汁中可以被肠道内具有β－glucuronidases活性的细菌去共轭，通过去结合和非结合的“活性”雌激素作用于雌激素受体（ERα和Erβ），导致它们被重新吸收到循环中，尤其具有β－葡萄糖醛酸酶（β－glucuronidases）和β－葡萄糖苷酶（β－glucosidases），这些水解酶参与雌激素代谢［18］。

2.2 睾酮（T）与肠道菌群

睾酮（T）是男性生殖系统循环中含量最丰富的雄激素，而卵巢是女性雄激素的最重要来源［19］。雄激素的产生受促性腺激素、促黄体生成素（LH）、促卵泡激素（FSH）的调节，这些激素又可以产生类固醇进行负反馈调节。在人类中DHEA也有助于雄激素的合成，虽然小鼠内不产生硫酸脱氢表雄酮（DHEA），但可以通过小鼠肾上腺分泌雄激素前体雄烯二酮促进雄激素的产生，同时也可以被17β－HSB转化为T。在靶组织和肝脏中，T可以通过若干不同阶段（如图1）的Ⅰ期反应（还原）和Ⅱ期反应（葡萄糖醛酸化）进行转化。在某些男性器官组织中，如前列腺和精囊，T可以通过5αreductase2（SRD5a2）转化为二氢睾酮（DHT），T和DHT都可以通过葡萄糖醛酸化增加化合物的水溶性，醛酸化的雄激素经尿液或胆汁排出小肠。在盲肠和小肠中，微生物的细菌数量和代谢能力较高，一些细菌菌株在体外已被证明具有代谢雄激素的能力，例如A.actinomy cetemcomitans和P.gingivalis，可以将T促进转化为DHT。也有研究在微生物含量较高的盲肠和小肠中，发现了高含量葡萄糖醛酸化的DHT和T，这也进一步证明微生物参与了T的转化与代谢过程［20－22］。

图1 雄激素转化过程

有研究表明宿主和微生物相互作用对疾病易感性的影响可以在动物之间转移。在针对Ⅰ型糖尿病的研究中发现，Ⅰ型糖尿病相关的T型和B型细胞的共生微生物群对T型和B型细胞具有保护作用，当使用无菌雄性小鼠时，对Ⅰ型糖尿病的保护就丧失了（在这种情况下T浓度也有所下降）。在粪便移植模型中，发现这些微生物可以从雄性小鼠转移到雌性小鼠。这种将微生物转移到年轻雌性小鼠的方式与一种可转移的男性状态有关，粪便转移诱发的微生物群变化与女性受试者T的增加和T依赖代谢物进一步相关。

为研究变性前后微生物和激素的变化，在试验中对雄性小鼠和大鼠去除雄性生殖器官，结果发现，雄性微生物群更接近雌性微生物群，通过16sRNA测定进一步验证了男性和女性微生物差异依赖于雄激素［23］。

3 展望

文章从不同模型、不同角度根据现有研究阐述了性激素与肠道微生物之间的相互关系，证明微生物和性激素可以通过受体、肠肝循环等发生作用。未来的研究应该继续探索性激素的利用是否在不同的微生物种类中是保守的，而不是仅观察到微生物利用性激素进行生存所需的基本过程（如新陈代谢、繁殖和传递）。而宿主的性别、年龄和生殖状态如何影响微生物以及对性激素的利用也应在未来得到更好的解答。