耐力运动过程中肠道菌群与线粒体交互作用研究进展

孙红梅，孙 强，张茂林

耐力运动主要以增强心肺功能和有氧代谢为主，如马拉松、竞走、公路自行车、越野滑雪、铁人三项等，运动员机体暴露在极端生理环境中，机体各器官系统会产生大量反应和适应，以维持长时间高强度体力消耗过程中的高代谢需求和内环境稳态，具体表现为：改善的肌肉代谢和协调的肌肉收缩、强大的葡萄糖和脂肪酸氧化及氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)能力、包括骨骼肌在内的各组织线粒体生物发生增加、系统炎症和免疫反应增强、活性氧(reactive oxygen species，ROS)释放增加、肠道渗透性改变、应激激素释放以及电解质和体温再平衡等。线粒体在耐力运动中的作用已远超出其产能作用的范围，应特别关注。线粒体作为产能细胞器可通过OXPHOS、脂肪酸β-氧化(fatty acid β-oxidation，FAO)及三羧酸循环的酶促途径，氧化糖和脂肪生成ATP；同时，线粒体还参与细胞信号转导、钙稳态、血红素生物合成、急性细胞死亡、肠道屏障功能维持等机体必要的代谢和细胞过程。

作为线粒体正常呼吸副产品的ROS，在细胞信号转导、细胞增殖分化和体内平衡维持中起重要作用，但过多ROS会严重破坏细胞结构，诱导炎症因子释放和细胞凋亡；线粒体可通过炎性小体识别病原相关分子模式或宿主来源的危险信号分子在炎症启动中发挥核心作用；同时，线粒体还可复制其基因组累积的突变，最终损害OXPHOS。含有160多个物种和900多万基因的肠道菌群对宿主代谢起重要作用：益于膳食纤维消化吸收，中和药物和致癌物质，合成短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)、次级胆汁酸、胆碱、叶酸等。此外，肠道菌群还可保护宿主免受病原性感染，刺激免疫系统成熟和肠道上皮细胞增殖，调控氧化应激和炎症反应等。越来越多的研究显示，肠道菌群与线粒体在宿主能量代谢、氧化应激及免疫炎症反应等方面存在明显的交互作用，靶向作用于肠道菌群调控线粒体功能，管理耐力运动员的高能量代谢、氧化还原平衡、炎症反应等，对于改善其竞技运动表现，促进其健康具有重要意义。

1 肠道菌群与线粒体交互作用的证据

1.1 肠道菌群与线粒体交互作用的直接实验证据

内共生理论认为线粒体起源于远古的α-变形杆菌门，相关研究提供了二者交互的最直接实验证据。有关热休克蛋白、细胞色素b、细胞色素c氧化酶、基因编码和保守rRNA序列等的研究提示，肠道菌群和线粒体间存在密切的单系血统关系，线粒体需氧呼吸链可能起源于肠道菌群；从α-变形杆菌基因中衍生出来的核基因组可编码线粒体蛋白质成分中的ATP合成酶亚基。ANDERSSON等和GRAY等的研究显示，立克次氏体、埃利希氏体和红孢子虫属是线粒体最近的真菌亲戚。借助系统进化工具分析线粒体呼吸链各蛋白质，结果提示线粒体起源于α-变形杆菌的线粒体，线粒体的进化位置被进一步明确。某些线粒体基因的丢失和获得，更进一步证明线粒体前体向线粒体的进化：人体线粒体丢失最多的功能是细菌样呼吸，如细菌呼吸可利用硝酸盐或延胡索酸作为电子传递链电子的终末端受体，使呼吸不依赖于氧气，哺乳动物心肌细胞缺氧时，可利用硝酸盐作为线粒体电子呼吸链复合物II的电子替代受体，保护缺氧时的线粒体膜电位，保证NADH正常氧化；人类线粒体部分保留α-变形杆菌线粒体能量代谢特点，更进一步证实线粒体会受肠道菌群影响。

1.2 肠道菌群与线粒体交互作用的间接实验证据

肠道菌群和宿主线粒体在结构和功能上具有许多共同特征。降解的线粒体蛋白或线粒体DNA可激活甲酰化蛋白受体，作用机制与肠道菌群甲酰化蛋白作用于宿主细胞相同。细菌和宿主线粒体膜可通过类似的自噬系统降解，细菌核糖体与宿主线粒体间的关系远比与真菌核糖体间关系更为密切，且两者均对抗生素敏感。线粒体靶向序列和细菌胞质蛋白靶向序列具有相似性，部分细菌蛋白可成功导入宿主线粒体。细菌DNA和线粒体DNA均可插入宿主细胞核基因组中，诱发突变，导致肿瘤形成。线粒体起源的核DNA序列已在宿主细胞中被充分记录到，核DNA双链断裂修复过程中，线粒体DNA可继续转移到细胞核中，并优先整合到编码或调节区域，导致突变率增加，诱发癌症或炎症反应。RILEY等和SCHRöDER等研究发现，细菌DNA序列存在于人体细胞中，且主要富集在癌细胞中，根癌农杆菌介导的DNA插入可引发植物肿瘤生长，并诱导宿主细胞代谢向利于细菌最佳生长的方向改变，巴尔通体亨氏杆菌可通过其IV型分泌系统将其质粒整合到人体细胞，诱导血管良性肿瘤形成。

此外，THIELE等和BAJPAI等的研究亦提供了肠道菌群与线粒体交互作用的实验证据：利用反应组学方法，THIELE等证明肠道菌群与线粒体相关，通过筛选7 439种反应的2 626种代谢产物，发现来于线粒体的代谢产物有437种，且其中有325种产物与肠道菌群代谢产物相重合。通过检索肠道菌群异常和线粒体功能障碍的文献，BAJPAI等发现两类文献间存在明显重叠，肠道菌群或可通过调节线粒体功能影响宿主健康状态。

2 耐力运动中肠道菌群对线粒体功能的调节

2.1 肠道菌群调控能量产生影响线粒体功能

考虑到耐力运动中的高能量需求，以及肠道菌群在宿主能量代谢中的作用，越来越多的研究开始关注精英运动员肠道菌群增强线粒体OXPHOS和FAO的可能机制。无菌或无特异性病原体动物研究表明，耐力运动中肠道菌群代谢产生的SCFAs、次级胆汁酸、HS、NO等在线粒体能量代谢过程中发挥重要作用。SCFAs可作为线粒体碳源直接进入三羧酸循环，并可通过共激活因子如过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活剂1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ co-activator 1α，PGC-1α)和转录因子核呼吸因子(nuclear respiratory factor，NRF)1和2直接或间接调控线粒体功能；次级胆汁酸可通过调控SIRT1和Fiaf表达等调控线粒体能量代谢；HS和NO可通过调控线粒体电子呼吸链影响其功能。

此外，SCFAs也是线粒体能量代谢的关键介质，可分别作为游离脂肪酸受体(free fatty acid receptor，FFAR)2和3的配体(又称G蛋白偶联受体41和43)，调节耐力运动中的葡萄糖和脂肪酸代谢，以及激活G蛋白偶联受体109A，调节与能量稳态、脂肪存储及食物摄取相关的代谢通路。益生菌调控肠道菌群的研究亦提示肠道菌群对线粒体能量产生的影响。鼠李糖乳杆菌CNCMI 4317的补充，可通过PPARα依赖通路促进禁食脂肪诱导因子(fasting-induced adipocyte factor，Fiaf)表达，进而调控线粒体OXPHOS。

肠道菌群对耐力运动中线粒体能量代谢产生积极影响的同时也会产生消极影响。HS是许多生理和病理过程的重要介质。低浓度HS可增加细胞耗氧量，促进谷胱甘肽产生，保护线粒体免受氧化应激损伤，对线粒体呼吸链产生积极影响；高浓度肠源性HS会导致人结肠HT-29细胞中细胞色素c氧化酶表达降低，线粒体电子呼吸链复合物I和II电子转移减少，氧化代谢向糖酵解转移，乳酸生成增加，ATP生成减少，线粒体耗氧量降低。沙门氏菌和大肠杆菌等肠道致病菌可降解大肠内的含硫氨基酸产生HS，对宿主线粒体能量代谢产生负面影响；精英运动员中常见的高蛋白饮食，也会导致肠道高水平HS；人类食用高蛋白食物后，粪便HS浓度可高达3.4 mm。此外，NO可作为线粒体电子呼吸链抑制剂，通过减少乙酰辅酶A产生来影响线粒体能量产生。高浓度NO会抑制结肠上皮细胞氧化SCFAs以及线粒体氧气利用，影响宿主线粒体活动。研究发现，肠道菌群可将硝酸盐还原生成亚硝酸盐，或通过一氧化氮合酶转化为L-精氨酸，硫酸盐还原菌可还原硫酸盐或发酵含硫氨基酸生成硫化物，在这些过程中会伴有大量NO产生。

图1 耐力运动中肠道菌群调控线粒体能量产生

2.2 肠道菌群调控ROS产生影响线粒体功能

线粒体电子传递链复合物I是ROS的最大产生者之一。耐力运动中机体能量需求增加，线粒体电子传递链电子泄漏产生大量ROS。规律耐力运动可诱导ROS适度产生，产生运动适应：线粒体生物发生增加、FAO增强、诱导抗氧化酶产生和调节免疫反应以消除抗原等。适度ROS可诱导核转录因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)和激活蛋白1激活抗氧化酶如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶及PGC-1α，形成自稳态。然而竞技运动的激烈竞争使运动员进入长期高强度训练甚至过度训练状态，缺血和低灌注损伤加之线粒体电子传递链电子泄漏增强，ROS产生明显增多，机体遭受氧化应激，脂质、蛋白质和DNA的ROS损伤显著增加。DNA氧化损伤会增加核基因组和线粒体基因组突变比例。需要注意的是，线粒体DNA，因无组蛋白保护，更容易受到氧化应激损伤和突变积累。此外，最近的研究表明，ROS产生可缩短端粒长度，改变线粒体生物发生。端粒功能障碍会激活肿瘤抑制因子p53介导的通路，抑制PPARγ、PGC-1α表达，PPARγ、PGC-1α两共激活剂的抑制反过来又会进一步损害线粒体生物发生，导致更高水平ROS，损伤端粒和线粒体DNA，形成恶性反馈环路。

研究证实，耐力运动中肠道菌群脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)及代谢产物SCFAs可多途径降低ROS水平，减弱线粒体DNA损伤和抑制端粒缩短，且菌群还可通过代谢色氨酸调控线粒体的氧化应激。肠道菌群可通过SCFAs与线粒体沟通，呈现抗氧化特性，小鼠肠道菌群定植缺失与耐力游泳后SCFAs水平、血清谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶水平降低有关。DOBASHI等研究不同模型小鼠发现肠道菌群可调节超氧化物歧化酶活性。O’CALLAGHAN等发现大鼠结肠SCFAs产生增多与丙二醛水平降低、端粒缩短抑制和DNA损伤减轻有关。尽管SCFAs减少端粒损伤的确切机制尚不清楚，但有研究表明，丁酸具有抗氧化性，可通过改变染色质结构，如端粒长度，降低过氧化氢引起的DNA损伤，并诱导谷胱甘肽抗氧化剂产生，通过增加细胞色素c氧化酶Ⅱ亚基活性减少氧化损伤。

此外，肠道菌群通过代谢色氨酸参与合成氧化还原反应的NAD和NADP，积极影响线粒体功能。然而，研究发现，肠道菌群可利用色氨酸产生喹啉酸，喹啉酸是犬尿氨酸通路的神经活性代谢物，常涉及多种人类神经系统疾病和脂质过氧化的发病机制；比较基因组分析证明，肠道菌群含有将色氨酸转化为喹啉酸所必需的酶，如金黄色假单胞菌具有色氨酸双加氧酶和3-羟基-犬尿氨酸酶活性。多形拟杆菌、普通变形杆菌和大肠杆菌等致病菌具有色氨酸酶，能将色氨酸代谢成吲哚-3-丙酸、吲哚-3-乳酸和吲哚-3-乙酸等，且吲哚-3-丙酸可在下游转化为吲哚-3-乙酸，吲哚-3-乙酸可激活辣根过氧化物酶，导致自由基形成和脂质过氧化。

肠道菌群除通过代谢产物调控ROS对耐力运动中线粒体的影响外，还可直接调控线粒体ROS产生。巨噬细胞原代培养发现，LPS处理会通过Toll样受体(Toll-1ikereceptor，TLR)信号通路降低UCP2表达，增加ROS产生。结核分枝杆菌通过增强N-乙酰转移酶活性，下调LPS诱导的TLR信号通路，减少线粒体ROS产生。埃利希氏体可上调线粒体超氧化物歧化酶活性，降低ROS产生，减少宿主细胞凋亡。

图2 耐力运动中肠道菌群调控线粒体ROS产生

2.3 肠道菌群调控炎症反应影响线粒体功能

受损线粒体在炎症激活后的炎症调控中起核心作用。炎症的关键机制之一在于炎性小体的激活，线粒体ROS和电子传递链复合物活性抑制可以激活核苷酸结合寡聚化结构域样受体家族3(NOD-like receptor family pyrin domain-containing 3，NLRP3)炎症小体，NLRP3通过激活促炎蛋白酶半胱氨酸蛋白酶-1，切割pro-IL-1β和pro-IL-18前体，产生成熟炎症因子IL-1β、IL-18。线粒体ROS还可通过SIRT1、NF-κB、AMPK等转录因子调控炎症过程。有研究表明，SIRT1激活可减弱LPS诱导的炎症因子和信号转导，改善线粒体功能。CHENG等发现，运动可通过激活SIRT1降低NF-κB、TNF-α、TLR-4、IL-1β、IL- 6、IL-8的炎症活性。注射LPS诱导的败血症C57BL/6小鼠刺激TLR-4可激活SIRT1，进而诱导NF-κB p65去乙酰化，抑制促炎基因表达。SIRT1可通过miR-34a-5p的激活，减轻氧化应激诱导的炎症反应。SIRT1还可通过刺激肠干细胞增殖、调控缺氧时肠上皮细胞紧密连接蛋白表达等维持肠道屏障。

耐力运动中，肠道菌群代谢产生的SCFAs可通过激活AMPK、PGC-1α等清除功能障碍线粒体，调控线粒体炎症反应，并可通过代谢色氨酸调节肠道屏障功能。TNF-α和IL-6可抑制AMPK激活，负性影响糖代谢，降低线粒体FAO，而肌源性IL-6可激活AMPK。马拉松运动员骨骼肌IL-6合成可增加100倍。运动过程中IL-6基因敲除小鼠因缺乏IL-6无法诱导AMPK激活。激活的AMPK可促进SIRT1、肿瘤抑制因子p53等激活，进而抑制NF-κB活性，降低促炎基因表达，减弱线粒体功能障碍，同时活化的AMPK可激活线粒体自噬，清除功能障碍线粒体，并通过PGC-1α转录调控新线粒体生成。

肠道菌群代谢色氨酸产生的吲哚-3-丙酸可通过上调肠上皮细胞紧密连接蛋白和下调肠上皮细胞TNF-α产生来维持肠道屏障功能，阻止LPS易位。SCFAs可通过固有层巨噬细胞中的组蛋白修饰下调LPS诱导的促炎介质如IL-6和IL-12的产生。此外，SCFA可以抑制肠道黏膜巨噬细胞中NF-κB的激活，减轻溃疡性结肠炎相关的炎症反应，并可通过激活UCP2-AMPK-乙酰辅酶a羧化酶途径和G蛋白偶联受体43来调节AMPK，在炎症激活和信号转导中发挥保护作用。2 mmol/L丁酸处理的人结肠上皮细胞系Caco-2的AMPK表达上调，肠道屏障功能正常标志物跨膜电阻抗增加。VIEIRA等发现，G蛋白偶联受体43在体外感知到中性粒细胞中的醋酸盐时，改善结肠炎模型中肠上皮完整性的IL-18产生增加。与此研究结果相同，MACIA等报道葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎小鼠富含膳食纤维饮食后，结肠乙酸增加，进而促进G蛋白偶联受体43表达和IL-18分泌。饮食中增加β-羟基丁酸水平可抑制剧烈运动中NLRP3活性。此外，次级胆汁酸可直接调控不同类型细胞SIRT1表达进而影响线粒体炎症和肠道屏障功能。

然而需要注意的是，肠道炎症微环境可为大肠杆菌、克雷伯菌和变形杆菌等致病菌的过度扩张提供有利环境；致病菌如肺炎衣原体和鼠伤寒沙门氏菌可通过半胱氨酸蛋白酶-1直接诱导NLRP3；梭杆菌、韦荣氏菌和小舌畸胎菌等可通过产生HS和NO，调控线粒体活性，导致炎症和感染。BEAUMONT等研究发现，人类结肠HT-29细胞高水平HS暴露会增加炎症基因如IL-6表达。HS可以抑制结肠中丁酸β-氧化，导致溃疡性结肠炎。此外，CHATELIER等研究发现，肠道菌群多样性低的个体有较少的丁酸产生菌，较高的HS形成潜力和更丰富的炎症菌群如弯曲杆菌属、志贺氏菌属等。

图3 耐力运动中肠道菌群调控线粒体炎症反应

3 耐力运动中线粒体对肠道菌群的调节

3.1 线粒体调节免疫反应影响肠道菌群

耐力运动过程中线粒体调节肠道菌群的研究尚少。线粒体可通过影响受肠道菌群调节的肠功能效应细胞，如免疫细胞、上皮细胞和肠嗜铬细胞，进而参与肠道屏障保护和黏膜免疫应答，这对长时间剧烈运动中维持肠道黏液层的正常生理功能，调节肠道菌群具有积极作用。线粒体功能失调可干扰肠道菌群正常栖息地，使细菌抗原穿透肠上皮细胞并刺激免疫反应。利用二硝基苯酚诱导的线粒体功能紊乱，可导致肠上皮屏障功能障碍，大肠杆菌通过肠道上皮的易位增加。线粒体还是致病菌的选择目标，可参与检测肠道菌群感染和细胞损伤以激活先天免疫反应。药物可通过调节线粒体钙信号，保护单核巨噬细胞免受布鲁氏杆菌、贝纳特氏立克次体、嗜肺立克次体和康氏立克次体等菌群的侵染。

3.2 线粒体基因组遗传变异影响肠道菌群

线粒体基因组的遗传变异也可调节肠道菌群。线粒体ND5、CYTB基因或D-Loop区域的多态性与特定的肠道菌群组成有关。MA等研究发现，位于ND5基因上的SNP同义突变A13434G和位于细胞色素b上的SNP同义突变T15784C与真杆菌属和罗斯拜瑞氏菌属丰度密切相关，提示宿主线粒体基因组变异可能内在地定义肠道菌群的组成和功能，而肠道菌群的组成和功能又反过来影响菌落结构。核基因组变异导致的线粒体功能障碍亦会影响肠道菌群。胸苷磷酸化酶基因突变导致的线粒体神经性胃肠脑肌病患者和双等位基因致病变体肉毒碱棕榈酰转移酶1A 缺陷患者比普通人更容易感染致病菌。此外，LORENTE等和JIMéNEZ-SOUSA等研究发现，欧洲人群线粒体DNA单倍型HV类群与病原菌感染引发的脓毒症发病率降低有关，线粒体DNA单倍型类群的功能差异可影响严重脓毒症感染性休克期的存活率。

线粒体DNA编码的基因对耐力运动过程中的能量产生、氧化应激和炎症调节至关重要，人类线粒体基因组编码对线粒体蛋白质合成至关重要的13个涉及OXPHOS的多肽、2个核糖体和22个tRNA。线粒体功能受线粒体基因组和核基因组的双重遗传控制。有超过1 500个核基因组编码的基因通过基因的转录与翻译机制和非编码RNAs的复杂协调来干预线粒体功能。需要注意的是，耐力运动中线粒体的复制可能会导致线粒体DNA突变的累积，最终损害线粒体的OXPHOS和包括肠道稳态在内的其他功能。SAFDAR等发现，耐力运动可降低小鼠线粒体聚合酶γ点突变的频率，导致线粒体细胞色素c氧化酶复合物组装同步增加，但由于线粒体DNA拷贝数量大(1 000～100 000个/细胞)，耐力运动员容易出现线粒体异质性，并传给下一代，随后的细胞分裂可能会导致给定突变频率的增加或减少，以及在个体生命周期中发生新的突变。因此，未来需要进行全基因组研究，描述人类细胞核中的特定线粒体基因和途径，以及塑造耐力运动员肠道菌群组成的线粒体基因组，了解线粒体异质化和核基因变异如何影响线粒体功能，进而影响肠道菌群。

4 小 结

肠道菌群与线粒体的交互作用主要体现在：一方面，肠道菌群可调节线粒体生物合成中的关键转录共激活因子和转录因子，如PGC-1a、SIRT1和AMPK等，抑制广泛的氧化应激和炎症反应；同时，肠道菌群及代谢产物，如SCFAs、次级胆汁酸、HS、NO等，通过减弱TNF-α介导的免疫反应和NLRP3等炎症小体，促进宿主能量产生、调节ROS产生和炎症反应。另一方面，线粒体，特别是线粒体ROS的产生，通过调节肠道屏障功能和黏膜免疫反应，在肠道菌群调节中发挥重要作用；同时，线粒体基因组的遗传变异会影响线粒体功能，进而影响肠道菌群组成。

耐力运动过程中，线粒体在能量代谢、ROS产生以及炎症调节中发挥核心作用。适宜耐力运动可诱导全身性线粒体生物发生，防止线粒体DNA损耗和突变，增加线粒体氧化应激能力。然而，过度训练和慢性应激促进运动员胃肠道炎症，导致过多应激源，诱发LPS易位和致病菌增殖，诱发免疫炎症。因此，针对耐力运动员的肠道菌群与线粒体的交互作用进行研究，揭示其的互作关系及机制，对于靶向作用于肠道菌群调控线粒体功能，管理肠道ROS、氧化应激、炎症和代谢异常等，进而干预改善耐力运动员竞技运动表现及健康有重要作用。