短链脂肪酸介导的肠上皮和抗炎调节研究进展

张 晨，敖日格乐*，王纯洁，斯木吉德

（1.内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.内蒙古农业大学兽医学院，内蒙古呼和浩特 010018）

在哺乳动物体内有一个丰富的微生态系统，微生物总量可达到宿主体细胞总数的10 倍，总体基因组数能达到150 倍[1]。不同个体之间的微生物群各不相同，随着时间的推移，个体中的微生物群也会发生明显改变。研究表明，肠道菌群与宿主的免疫功能密切相关，在其影响宿主免疫功能的同时，宿主的免疫系统也可能同时在保护肠道益生菌[2]。宿主与微生物之间的相互作用可以维持机体的稳态，当机体内稳态被打乱就可能导致慢性炎症和代谢功能障碍[3]。此外，环境因素、卫生和抗生素的使用以及低纤维、高糖高脂的饮食都会导致肠道菌群失衡，继而影响宿主健康[4]。肠道微生物已被证实具有调节免疫的发展和代谢功能及预防疾病（如过敏、结肠癌和炎性肠病）等许多有益功能[5-6]。大多数有益功能是由短链脂肪酸（SCFA）介导，SCFA 主要由乙酸、丙酸和丁酸组成，它们除了作为重要的能源，还可以影响机体血糖和血脂水平、结肠环境及免疫功能。本文综述肠道中微生物SCFA 的产生、转运及其对肠道细胞和免疫反应的影响，以期为SCFA 作为动物营养素研究提供理论依据。

1 SCFA 的产生及转运

1.1 SCFA 的产生 SCFA 是饱和脂肪族有机酸，由1～6个碳组成，其中乙酸、丙酸和丁酸含量最高（≥95%），三者在结肠中的摩尔比近似为60:20:20[7-8]，主要由低聚糖、非淀粉多糖（NSP）、抗性淀粉（RS）等发酵产生，其中RS 是产生丁酸的重要来源。对于个体不同肠道部位，近端结肠的总SCFA 浓度高于远端结肠[9]。然而目前无法准确得知肠道菌群对SCFA 的生产量，因为大多数SCFA 都已在结肠腔中被吸收，而且体外培养不同于体内情况，在分离微生物期间，菌群的多样性会发生急剧变化，同时产物也会在发酵中累积。而SCFA 浓度与细菌的底物有关，粪便中的SCFA 分析结果可以作为肠道中SCFA 水平的近似值，从而可以推断出SCFA在肠道与粪便中的关系[10]。

乙酸是多种细菌发酵产物，通过乙酰辅酶A 或Wood-Ljungdahl 途径由丙酮酸从丙酮酸盐中生产[11]。丙酸是拟杆菌门发酵的主要产物，通过琥珀酸酯途径从琥珀酸酯转化为甲基丙二酰辅酶A 产生，也可以以乳酸为前体，通过丙烯酸酯途径和丙二醇途径合成[12]。丁酸是厚壁菌门的主要代谢产物，是由2 个乙酰-CoA分子缩合，然后还原为丁酰-CoA，通过磷酸转丁酰酶和丁酸酯激酶将其转化为丁酸；丁酰-CoA 也可以通过乙酰-CoA 转移酶途径转化为丁酸酯，肠道中的某些微生物可以同时使用乳酸盐和乙酸盐来合成丁酸盐，从而防止乳酸盐的积累并稳定肠道环境；还可以通过赖氨酸途径由蛋白质合成丁酸，这进一步表明肠道中的微生物可以适应营养转换，从而维持SCFA 的合成[13-14]。

1.2 SCFA 的转运 SCFA 可以通过被动扩散渗透通过细胞膜，但它们的转运主要依靠质子偶合单羧酸转运蛋白1（MCT1/SLC16A1）和钠偶合单羧酸转运蛋白1（SMCT1/SLC5A8），MCT1 在肠细胞顶膜中以依赖H+的方式转运SCFA，SMCT1 对SCFA 阴离子转运与Na+偶联转运，其中MCT 的SCFA 阴离子转运作用优于SMCT1 的转运[15]。在人、小鼠和大鼠的结肠中观察到MCT1 和SMCT1 显著表达，且表达水平高于在回肠中的表达水平[16]。同样对于反刍动物，MCT1 蛋白表达水平为近端结肠＞远端结肠＞小肠[17]。另一方面，SMCT1主要在近端和远端结肠以及回肠肠上皮细胞的顶膜中被检测到。并且GF 小鼠可以通过细菌与肠道的重新定殖使结肠和回肠中SMCT1 表达降低的情况得到改善[18]。

MCT1 作为肠上皮细胞（IEC）中摄取丁酸的主要转运蛋白，其表达受丁酸和碳水化合物诱导。研究表明在体外培养人小肠上皮细胞（AA/C1）中加入不同浓度的丁酸钠时，Mct1基因与其蛋白的表达水平均随丁酸钠浓度的增加与培养时间的增长而升高，并且发现丁酸钠吸收的最大速度显著增加，但米氏常数没有变化，说明丁酸钠吸收增加是通过增加细胞膜上Mct1的表达来实现的[19]。此外，在离体猪结肠黏膜培养中研究发现，丁酸盐的直接作用会使Mct1mRNA 表达上调[20]。

在大鼠饲粮中添加果胶后，其胃肠道Mct1水平上调，尤其是在结肠黏膜的顶膜中更为显著[21]。在仔猪饲粮中添加燕麦β-葡聚糖，仔猪盲肠段Mct1表达水平升高[22]。也有研究表明，与可消化淀粉（DS）相比，日粮中添加RS 后，猪盲肠和结肠黏膜中Mct1mRNA的水平增加；而Smcct1mRNA 水平不受RS 或DS 饮食的影响，表明与Smcct1相比，RS 对Mct1表达有特异性调节[23]。另一方面，高蛋白饮食可导致猪结肠Mct1的表达减少，但不会影响丁酸水平，同时伴随着TNF-α、IL-8和IFN-γmRNA 的表达增高，说明炎性环境会影响丁酸盐转运蛋白的表达[20]。

2 SCFA 在肠黏膜中的作用

SCFA 参与调节宿主多个系统功能，如肠道、血液、神经及内分泌系统，并因其具有抗炎作用而与肠道炎症密切相关。SCFA 除了被MCT1 和SMCT1 等转运蛋白吸收后可促进细胞代谢外，还可以作为信号分子影响肠道免疫系统，从而调控肠道炎症[24]。大量研究表明，SCFA 主要通过激活细胞表面G 蛋白偶联受体（GPCR）以及抑制组蛋白去乙酰化酶 （HDACs）来调控免疫功能[25]。

2.1 SCFA 对肠细胞增殖的影响 在GF 和经抗生素处理的无特定病原体（SPF）小鼠中，IEC 在肠道隐窝中的增殖活性以及沿隐窝-绒毛轴的迁移均明显减弱，但在用革兰氏阳性细菌以及口服SCFA 治疗后，GF 和SPF 小鼠IEC 周转率显著增加[26]。丁酸在被IEC 吸收后，进入线粒体启动三羧酸循环，从而为细胞提供能量，还可以促进组蛋白乙酰化，上调细胞增殖相关基因，促进细胞增殖[27]。

但丁酸对肠道干细胞的作用与IEC 不同。丁酸酯会通过充当HDAC 抑制剂并增强细胞周期负调节因子Foxo3 的启动子活性来抑制肠道干细胞增殖[28]。完整的隐窝结构使得干细胞避免暴露于较高浓度的丁酸盐中，但已分化的IEC 在更高浓度的SCFA 中不受抑制[29]。这些结果表明丁酸酯具有细胞类特异性作用。

此外，相较于正常细胞，丁酸可以抑制结肠癌细胞的增殖并诱导其凋亡，可能是因为癌细胞缺乏乳腺癌耐药蛋白（BCRP，一种丁酸流出细胞的载体）使得丁酸累积，通过抑制HDAC，上调多种促凋亡蛋白和 （或）下调多种抗凋亡蛋白的表达，促使癌细胞凋亡[30]。但也有研究指出低剂量的丁酸会导致癌细胞的自噬[31]。

2.2 SCFA 对肠上皮屏障的影响 作为机体重要的防御机制之一，完整的肠上皮屏障可以将机体与肠腔内容物分开。而SCFA 对维护肠上皮屏障有着至关重要的作用，其中丁酸为主要因素[32]。SCFA 通过诱导小肠上皮细胞分泌IL-18、抗菌肽、黏蛋白并上调紧密连接的表达来调节小肠屏障的完整性[33]。丁酸可以促进肠道中MUC3和MUC5的表达从而增加黏液中黏蛋白的产生[34]。作为结肠细胞的主要能源，丁酸可以增强肠上皮细胞系中O2的消耗从而稳定缺氧诱导因子（HIF）[35-36]。HIF作为一种协调屏障保护的转录因子在维持肠道内环境稳态起着关键作用，上皮HIF-1α的缺失会增加对结肠炎的易感性[33,37-38]。研究表明，在用抗生素治疗的小鼠或GF 小鼠中，HIF-1α的表达和丁酸水平均降低，但在补充丁酸后，HIF-1α的表达得以恢复[39]。并且在GF 小鼠结肠细胞中观察到丁酸代谢通路受到抑制，而丁酸盐的缺失使能量缺乏导致较低的ATP 水平，最终导致自噬，在用产生丁酸盐的细菌对GF 小鼠进行再定植后，丁酸为结肠细胞供能将自噬抑制到正常水平[40]。总的来说，SCFA 对维护肠上皮屏障发挥重要作用。

2.3 SCFA 的抗炎作用

2.3.1 SCFA 作为GPCR 的配体 GCPR 广泛存在于免疫细胞和肠上皮细胞中，SCFA 主要激活游离脂肪酸受体2（GPR43/FFAR2）、游离脂肪酸受体3（GPR41/FFAR3） 和羟基羧酸受体2（GPR109A/HCAR2）。GPR43/FFAR2 是一种Gi/o和Gq双偶联GPCR，其功能主要由Gi/o介导，但在肠道中只与Gq偶联[41]。GPR43的配体主要是乙酸和丙酸，主要表达部位在结肠和小肠上皮细胞、肠内分泌细胞、结肠固有层细胞、脂肪细胞、骨骼肌等。GPR41/FFAR3 是一种Gi/o偶联GCPR，配体亲和力为丙酸＞丁酸＞乙酸，主要表达部位在结肠和小肠上皮细胞、结肠固有层细胞、脾脏、骨髓、脂肪组织及外周神经系统等[42]。GPR109A/HCAR2 仅与Gi/o偶联，在肠道中丁酸和β-羟基丁酸酯作为其主要配体，主要表达部位在结肠和小肠上皮的顶膜和免疫细胞[43]。

SCFA 通过激活GPCR 来调节肠道功能，成为调节代谢异常和免疫的重要因素。在发炎期间，SCFA 通过激活GPR43 刺激中性粒细胞迁移并调节其活性氧的产生和吞噬作用[24,44]。在对野生型（WT）小鼠和Gpr43-/-小鼠加入葡聚糖硫酸钠（DSS）后，Gpr43-/-小鼠在模型中表现出炎症加剧、炎性因子表达增强，对2 种小鼠分别灌服乙酸后，WT 小鼠症状明显减轻，而Gpr43-/-小鼠没有发生变化，表明乙酸需要通过GPR43 才可以影响抗炎，随后证实了是乙酸与结肠上皮细胞的GPR43结合后刺激K+流出和超极化，导致NLRP3 炎性体活化，从而诱导IL-18 释放[45]。丁酸也同样可以激活GPR109A，通过相同的机制来诱导IL-18 释放[46-47]。SCFA也可以通过激活GPR41 和GPR43，从而抑制IL-6 和IL-8 的产生[48]。在IECs 模型中，丁酸通过体外结肠细胞系和离体小鼠结肠中的GPR109A 抑制脂多糖（LPS）诱导的转录因子-核因子κB（NF-κB）活化，且正常结肠中GPR109A 的激活不仅会阻断LPS 诱导的NF-κB激活，还可以影响NF-κB 的基础活性[49]。这些结果证实了SCFA 激活GPR109A 和GPR43 在控制炎症和促进结肠上皮修复中的重要作用。SCFA 通过GPCR 诱导调节性T 细胞（Treg）增殖。研究发现，给GF 小鼠提供乙酸盐和丙酸盐后，激活GPR43 上调叉头转录因子3（Foxp3）表达从而刺激结肠Treg 的扩增，从而增加IL-10 的表达[50]。丁酸也可以通过GPR109A 诱导巨噬细胞和树突状细胞（DC）调节Treg 扩增，增加IL-10的表达[33,47]，而乙酸可以诱导DC 上GPR41 促进肠道产生IgA[51]。

2.3.2 SCFA 作为HDAC 抑制剂 酶控制的组蛋白翻译后修饰（HPTM）是基因表达调控的关键，其中最重要的是由乙酰基转移酶（HATs）和脱乙酰基酶（HDACs）控制的组蛋白乙酰化[52]。HDAC 的过表达会导致组蛋白乙酰化减少，从而抑制基因表达[53]。SCFA 除了在细胞外作为信号分子产生抗炎作用外，还可通过转运蛋白进入细胞后作为HDAC 抑制剂，从而参与调节促进许多疾病发病机理的基因的表达[25]。其中丁酸被认为是SCFA 中最有效的HDAC 抑制剂，而与之前报道不同的是，R-β-羟基丁酸酯未显示出易于检测的HDAC 抑制剂活性，并且对内皮细胞具有轻微的促炎作用[54]。

SCFA 可能通过抑制HDAC 作用于单核血细胞和中性粒细胞，从而减少这些细胞产生的促炎性肿瘤坏死因子（TNF），并导致NF-κB 失活，下调IL-2、IL-6、IL-8 等促炎细胞因子的表达[48,55-58]。其中，丁酸通过抑制HDAC3 使单核细胞衍生的巨噬细胞分化，增强其内在抗菌功能[59]。并且SCFA 通过HDAC 抑制增加组蛋白乙酰化，调节哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），通过增加mTOR 复合物的活性，增强葡萄糖氧化并生成乙酰辅酶A 来诱导T 细胞和调节性B 细胞（Bregs）中的IL-10 表达，并且mTOR-S6K 激酶途径对于T 淋巴细胞的分化至关重要[60-61]。因此，不同于GPR41 或GPR43 途径，SCFA 也可以通过抑制HDAC 促进T 淋巴细胞分化为效应T 细胞（Te）和Treg[27]。HDACs 可以通过影响Foxp3的乙酰化，导致Foxp3降解，所以SCFA 也可以通过抑制HDAC 增加Treg 细胞中Foxp3基因表达，防止蛋白酶体降解以及增强Foxp3的稳定性和活性，从而抑制炎症反应[50,62]。另一方面，在鼠模型研究中发现，Foxp3的乙酰化促使其与IL-2 启动子区域的结合，从而导致内源性IL-2 分泌受到抑制，而IL-2 可以抑制Treg 细胞产生干扰素-γ（IFN-γ）。同时SCFA 通过HDAC 抑制作用，会导致关键DC 调节剂的表达降低，从而导致DC 发育的减弱[63-64]。

对于HPTM，除了乙酰化，还有其他翻译后修饰，如甲基化、丙酰化、巴豆酰化、丁酰化和2-羟基异丁酰化等[65-66]。近期研究数据表明，组蛋白巴豆酰基化比组蛋白乙酰化直接刺激转录的程度更强[67]，其中，SCFA 对巴豆酰化过程至关重要，有把巴豆酰-CoA 与组蛋白赖氨酸残基连接起来的作用[68]。另外，对小鼠进行抗生素治疗后，随着肠道微生物菌群的耗竭，肠腔和血清SCFA 水平降低，导致HDAC2 在肠道中的表达增加，并导致组蛋白巴豆酰化显著下降[69]。SCFA（主要是丁酸）通过抑制结肠上皮细胞中的HDAC 的去巴豆酰化酶活性来促进组蛋白巴豆酰化。通过分析鼠类结肠、大脑、肝脏、脾脏和肾脏组织中的巴豆酰化水平，发现在肠道中最高，尤其是小肠和结肠的隐窝部分，在大脑中次之[52]。在检测丁酸浓度后发现，其水平在肠道中最高，但在血清中也不低，这可能解释了不仅可在肠道，而且还在远端组织中（如大脑）观察到巴豆酰化。

3 总结与展望

随着对SCFA 研究的深入，人们逐渐了解到SCFA对宿主健康的重要性。SCFA 通过直接或间接作用影响着宿主肠道健康，因其具有供能、维持肠道稳态、抗炎和调节免疫等作用，所以对抵御肠道疾病有一定的作用。然而，SCFA 的活性机制尚需进一步研究。对于机体而言，目前尚不清楚是SCFA 本身还是和细菌其他代谢物联合产生有益作用，因为其他代谢产物也可能具有基本的信号传导功能，如胆汁酸和氨基酸衍生物等。而对于不同个体，相同的SCFA 浓度却可能导致肠炎症减轻或加重2 种不同的结果，这可能是由于环境或遗传背景等原因导致的，因此对于SCFA 具体的适宜作用浓度目前还没有一个标准。对于近期发现的HPTM（如巴豆酰化），目前对其调节和组织特异性功能了解甚少。而SCFA 不仅影响肠道环境，还能影响远端器官。在后续的研究中需进一步了解SCFA 与菌群间的互作、如何调节炎症、是否可以通过调整饲粮来改善和预防肠道炎症。