昼夜节律与肠-脑轴的互动

黄智炜 陈胜良

上海交通大学医学院附属仁济医院消化内科 上海市消化疾病研究所(200001)

消化道与脑通过多种途径进行交流，如迷走神经、单胺神经调质、免疫系统、微生物系统、细菌代谢产物等。昼夜节律是生命活动24 h的节律变化，包括睡眠-觉醒周期、激素分泌、细胞运动等。本文从胃肠动力、消化道菌群、消化道免疫和肿瘤4个角度阐述昼夜节律与肠-脑轴的联系。

昼夜节律由中央时钟与周围时钟调控。中央时钟位于下丘脑的视上核(SCN)，受环境光线的调控，使SCN的昼夜节律与环境同步。SCN通过神经、激素传导时间信号至周围时钟，SCN还控制消化肽(如血管活性肠肽和胃泌素释放肽)的昼夜节律释放。周围时钟既受SCN的调控又有其独立性，还受体温和行为(如运动、进食)的调节[1]。

在分子水平上，昼夜节律的调控由一组基因及其转录产物调控。核心因子为正调控因子Clock、Bmal1，构成异二聚体Clock-Bmal1，作用于靶基因的E-box元件，促进Per、Cry、Rev-Erbα、RORγ等表达。Per、Cry和Rev-Erbα作为负调控因子，负反馈抑制Bmal1基因表达；RORγ则促进Bmal1基因表达。此外，Clock作为组蛋白乙酰化转移酶，乙酰化Bmal1以及打开染色质结构可促进相关基因表达[2-3]。

一、胃肠运动的昼夜节律

人胃肠道运动呈现昼夜节律，并可能受到体位与进餐时间的影响。总体上，胃肠运动在白天更活跃。吃同一种食物，夜间胃排空的半衰期慢于白天[4]。在小肠中，迁移复合运动的白天传播速度为夜间的2倍[5]。结肠蠕动在清晨达到顶峰，白天和夜间明显下降[6]。昼夜节律紊乱与胃肠运动障碍有关，如便秘[1]、肠易激综合征(IBS)、功能性消化不良、胃轻瘫综合征等[3]。

小鼠结肠内压力变化、排便、体外结肠环肌收缩均表现出昼夜节律，而Per1/2-/-小鼠的节律性消失。肌间神经丛的节律基因可能通过控制某些结肠运动调节基因的表达来调控结肠运动[7]。有研究[8]表明时钟基因(如Clock和Per3)的多态性与胃肠动力减弱有关。而胃排空和运动的昼夜节律可能与迷走神经无关[9]。

二、细菌的昼夜节律

肠道细菌总数、各类细菌丰度表现出昼夜变化，可能由细菌运动相关基因表达的昼夜变化引起。在Per1/2-/-小鼠中，肠道黏附细菌数量的节律性消失。而对Per1/2-/-小鼠进行定时喂养，肠道细菌数量、丰度恢复节律性。破坏小鼠结肠细菌生态后，结肠组织仍可检测到数百个基因的转录表现为昼夜节律，但基因群与对照组存在明显差异。进一步实验表明，小鼠结肠细菌的破坏改变了结肠组织中基因的表观遗传，促进新的基因进行节律性转录，引起宿主建立新的昼夜节律体系。有趣的是，结肠菌群破坏组与对照组呈现节律性表达的基因群中，相同点为时钟和核心基因，区别在于其他的功能基因[10]。

细菌代谢物可作为信号分子，向肠上皮传递信息，这些细菌代谢物称为微生物相关分子模式(MAMP)，包括短链脂肪酸、多胺(精胺)、氨基酸(酪氨酸和色氨酸)、氨基酸衍生物(牛磺酸、组胺和吲哚)、生物素、维生素K、γ-氨基丁酸、胆汁酸和脂多糖 (LPS)[11]。细菌代谢产物表现出昼夜节律变化，可能引起宿主代谢的昼夜节律变化。检测以抗菌药物处理小鼠和无菌小鼠的血清鸟氨酸水平，未表现出昼夜节律。Per1/2-/-小鼠亦未检测到血清氨基酸的昼夜节律，但对其进行定时喂养后，发现肠道细菌和血清氨基酸(鸟氨酸、精氨酸、脯氨酸)的节律性恢复[10]。

三、免疫系统的昼夜节律

免疫细胞及其功能表现出昼夜节律，并受节律基因调控。将小鼠进行12 h光照/12 h黑暗喂养2周后再给予全黑暗喂养2 d，小鼠脾脏、淋巴结、腹膜巨噬细胞中仍可检测到时钟基因(Per2和Rev-Erbα)节律性转录。分离小鼠脾脏和淋巴结进行体外培养，依然能观察到Per2基因节律性表达。提示免疫系统的昼夜节律表达有其独立性[12]。

免疫系统反应强度随刺激时间变化呈现昼夜节律。LPS诱导的小鼠内毒素休克的死亡率很大程度上取决于给予LPS的时间[13]。有研究[12]表明，LPS刺激小鼠脾巨噬细胞，TNF-α和IL-6的分泌呈现周期变化。脾巨噬细胞数量也呈现昼夜节律，且与TNF-α和IL-6的昼夜节律相符，但每个巨噬细胞分泌TNF-α和IL-6呈现的昼夜节律与总体TNF-α和IL-6的昼夜节律存在差异。LPS刺激巨噬细胞产生TNF-α通过TLR4信号通路实现，而该通路上相关基因的转录呈现昼夜节律。在李斯特菌感染小鼠模型中，血液和脾脏中可见Ly6Chi炎性单核细胞的昼夜节律，而非Ly6Clow巡逻单核细胞，单个细胞的IL-1和IL-6表达并未表现出昼夜节律。大剂量李斯特菌感染小鼠可过度激活免疫系统，小鼠死亡率与炎症反应增强程度呈正相关， 而炎症反应强度随着注射时间呈现昼夜节律。Bmal1敲除后小鼠Ly6Chi单核细胞的昼夜节律消失。以李斯特菌引起小鼠腹膜炎，Bmal1敲除小鼠腹膜炎部位Ly6Chi单核细胞和相关炎症因子水平明显升高，小鼠存活率和中位存活时间明显降低[14]。表明时钟基因作为免疫反应的保护机制，可防止炎症过度激活。

第3组先天淋巴细胞(ILC3)与神经细胞相互作用，介导黏膜免疫。肠道成熟ILC3细胞的时钟基因表达呈明显的昼夜节律。敲除ILC3细胞的Bmal1可引发肠道ILC3数量和功能改变、上皮反应受损、微生物群失调、肠道感染的易感性增加以及脂质代谢紊乱[15-16]。光-暗循环、饮食节律和微生物对ILC3节律的调控影响不同，以光信号为重[16]。在手术切除SCN的小鼠或仅SCN缺乏Bmal1基因的小鼠中，ILC3的节律消失，肠道归巢标记表达下降，表明ILC3受SCN的调控[16]。IBD患者中肠道ILC3数量明显下降，Nr1d1、Per3和Nfil3表达发生明显变化[15]。

四、癌症与昼夜节律

细胞代谢改变是癌症的重要特征之一。因此，昼夜节律紊乱引起的代谢功能障碍可能促进癌症的发展。其机制可能是破坏节律能促进癌细胞利用能量以及合成脂肪，从而促进增殖[17]。时差对小鼠和人有致癌作用，宿主和微生物的节律破坏能影响结直肠癌病程[18]。有证据表明，微生物群还可调节对免疫治疗的反应，延长中位生存期[19]，但微生物改善免疫治疗的疗效与微生物昼夜节律的关系有待研究。细菌代谢物水平的波动可能会影响对癌症的免疫反应，从而影响对“检查点封锁”的反应。

结肠细胞增殖遵循昼夜节律。DNA复制通常发生在夜间，细胞增殖调控蛋白的表达也呈现出昼夜节律。时钟基因可能会抑制cyclin D1表达，从而抑制G1期向S期过渡。因此，正常的昼夜节律保护DNA免受诱变的干扰[20]。此外，在微卫星不稳定性结直肠癌中可见Clock基因突变[21]。

夜间光线抑制褪黑激素的产生，干扰DNA修复、促进肿瘤凋亡、抑制肿瘤生长、清除自由基、调节抗肿瘤免疫、竞争性抑制雌激素，从而增加患癌风险[22-23]。在78 586名护士参与的健康研究[24]中，602 例发展为结直肠癌。与不轮班夜的女性相比，轮夜班工作≥15年的女性患结直肠癌的风险增加1.35倍(95% CI: 1.03～1.77;P=0.04)。

肿瘤中节律基因表达变化较基因突变更普遍。结直肠癌细胞的时钟基因(Clock、Per)表达与正常人不同。Clock和Bmal1基因可能为保护因素，在结直肠癌细胞中过表达，干扰细胞周期，抑制细胞生长[20-21]。Per2低表达促进结直肠癌的肝转移，Per2和Per3高表达可抑制肿瘤生长、增加肿瘤分化或凋亡、减少淋巴结转移和延长无转移生存期[21]。

研究表明，在结直肠癌患者血液中肿瘤标记物存在昼夜节律，并因病程不同而有所差异[20]。在Ⅳ期结直肠癌细胞中，节律基因表达降低，在远处转移的器官(肾和肝)中的表达发生改变。肿瘤可影响节律基因的表达，进一步干扰外周正常细胞的节律基因，从而干扰生物节律[20,25]。

总之，昼夜节律不仅是睡眠-觉醒周期、摄食等行为学，对分子机制的研究扩展了对生物钟的认识。昼夜节律在代谢、内分泌、神经疾病等方面均有重要影响。昼夜节律对胃肠道疾病的影响可能涉及多个因素。生物代谢的变化具有周期性，因此，在合适的时间点用药可减少剂量，提高疗效，降低药物不良反应。未来应进一步研究昼夜节律在肿瘤发生、发展过程中的具体作用及其机制。