肠道菌群代谢产物与胰岛素抵抗相关衰老疾病的研究进展

王中英， 常丽纳(综述)， Xiang Fang(审校)

哺乳动物的胃肠道是一个复杂的生态系统，由无数与宿主处于稳态的细菌组成，称为肠道菌群。人体正常的生理功能会因衰老而减退，而肠道菌群对维持正常生理功能尤为重要[1]。肠道菌群通过自身代谢或通过对环境/宿主分子进行肠生物转化，生成大量代谢终产物，称为代谢组。胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)是2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)、阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)等数种衰老性疾病的共同特征，它涉及多种信号分子和信号通路，呈现出复杂的网络关系。中枢神经系统IR与糖尿病之间通过肠道菌群紧密联系在一起，共生失调可能是其共同的发病基础。本文从IR角度，对肠道菌群代谢产物与T2DM及AD发病机制的内在联系作一综述。

1 肠道菌群概述

肠道菌群是寄生于肠道内的大量微生物，大约有1014，其主要由拟杆菌门(约48%)和厚壁菌门(约51%)两种细菌门组成，其余约1%的微生物包括梭杆菌、变形菌、疣微菌、病毒和其他共生微生物[2]。肠道菌群不但可以为宿主提供多种营养物质，更重要的是可以通过基因组和代谢组对宿主表型发挥重要影响。肠道菌群的类群和含量受多种因素的影响，如地域、生理状况、抗生素暴露等。在衰老过程中，牙齿缺失及咀嚼功能的下降，嗅味觉的退化，消化功能的衰减，生活方式和饮食结构的改变，都能影响肠道菌群的组成，物种共丰度网络随着年龄增长而重构。尽管不同个体的肠道微生物群存在差异，功能核心微生物组却基本相同。有研究指出，肠道微生物变化与生物学年龄相关，与实际年龄无关[1]。肠道菌群通过大量代谢物与宿主相互作用，这种代谢互作的任何干扰都可能是疾病的起始和强化因素。

2 IR相关衰老疾病：T2DM和AD

衰老是组织器官和细胞功能的逐步衰退，它贯穿于生命过程的各个阶段。与胰岛素相关的生物代谢系统，被认为是长寿和物质老化的最关键调节器，而IR被认为是全身衰老的总体标志[3]。虽然T2DM和AD不总是相伴发生，二者关系亦尚无定论，但二者有部分共同的发病机制，如糖代谢受损、胰岛素信号异常、低度慢性炎症、氧化应激、IR[4]。T2DM和AD的病理生理机制高度重叠，但最具特征的是胰岛素信号转导障碍和淀粉样变，二者均与IR相关[5]。

2.1胰岛素信号转导障碍 IR作为糖代谢改变的主要原因，它与细胞死亡途径相互依存，形成了连接T2DM和AD的基础。胰岛素与特异性受体结合，激活跨膜受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase,RTK)和胰岛素受体底物(insulin receptor substrates,IRSs)，开启细胞内信号转导。转导主要有两条相互交叉调控的途径：磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3 kinase/protein kinase B,PI3K/AKT)通路和细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)通路。

2.1.1 PI3K/AKT通路 T2DM或AD患者IRSs自磷酸化水平下调，PI3K/AKT不能充分激活，影响下游激酶的级联激活途径，下游靶点哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter 4,GLUT4)等表达紊乱。mTOR为营养和能量感应分子，GLUT4负责促进葡萄糖摄入并激发细胞的能量需求，二者的表达障碍引起线粒体损伤，影响腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)途径，降低三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)和糖酵解水平，造成能量代谢障碍。PI3K/AKT的活化抑制，还使糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)这一细胞凋亡的关键介质增多，早老素异常增加，引起糖原、脂肪酸和蛋白质的合成障碍及β淀粉样蛋白(amyloid β-protein,Aβ)的聚积，在T2DM及其并发症和AD的发生发展中具有重要作用[6-7]。

2.1.2 ERK通路 ERK属于丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族成员。磷酸化激活的ERK转位到核内介导蛋白质翻译起始因子、转录激活因子、立早基因等的转录活化，调控细胞周期，诱导中枢神经系统长时程增强的产生和维持，促进细胞的存活和增殖，直接参与凋亡的调控。ERK通过N-甲基-D-天冬氨酸受体作用，参与细胞形态维持、骨架构建。胰岛素和葡萄糖调节蛋白等因子还可以通过此通路，抑制缺糖诱导的线粒体凋亡途径的进程[8-9]。T2DM和AD患者均存在ERK通路紊乱，引发细胞存活障碍，加速凋亡。

2.2淀粉样变 淀粉样蛋白生成是T2DM和AD的共同病理学特征，具体表现是胰腺胰岛淀粉样多肽(islet amyloid polypeptide,IAPP)和脑内Aβ的异常聚集和沉积。IAPP在胰岛β细胞内有与胰岛素极其相似的合成过程，二者共存于分泌颗粒中并协同分泌。人IAPP具有极强的错误折叠及聚集倾向，错误折叠的IAPP低聚物在细胞中积累，作用于脂质膜，影响胞吐作用，破坏细胞膜的屏障功能，引起细胞损伤，加重糖尿病的病情。在AD患者中可发现Aβ 1～41、1～42的逐步浓集和IAPP在IR状态下的逐步升高[10]。有研究也描述了IAPP在全身其他组织的积累，包括大脑血管和脑实质，还发现了IAPP和Aβ沉积的共定位。另外，IAPP可通过植入效应促进AD的Aβ累积[11-13]。淀粉样蛋白是内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)时蛋白质错误折叠形成的不溶性的聚集体，ERS被广泛认为是IR发生发展的基础环节。蛋白质的合成和正确折叠依赖于内质网的良好功能状态，这对于蛋白质的转运、对受体的正确识别和有效结合以及触发跨膜信息传递至关重要。IAPP与胰岛素合成过程相似且协同分泌，而Aβ与胰岛素共同接受胰岛素降解酶降解，二者必有相同或相似的结构域，进一步解析三者的内在联系有助于对IR相关衰老性疾病深入理解。

3 肠道菌群对机体的影响

Smith等[14]移植年轻鳉鱼的粪便让老鳉鱼活得更久。Ridaura等[15]将胖瘦不同的双胞胎的粪便移植到小鼠体内，发现肥胖可通过菌群转移使小鼠出现肥胖相关的代谢表型，而接受瘦供体菌群的小鼠，则避免了这种代谢紊乱的发展，说明操纵肠道菌群结构有助于调节个体的能量平衡。有学者鉴定出霍氏真杆菌、罗斯氏菌和普氏粪杆菌作为人类肠道定植菌和丁酸产菌，可改善T2DM血糖控制和胰岛素敏感性，且菌群的组成对T2DM具有高度的鉴别性[16]。将IR小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠体内后，发现其同样发生了IR，并且肠道微生物群的变化可以改变大脑胰岛素信号和代谢水平，从而导致神经行为的改变[17-19]。有研究发现，恢复肠道菌群平衡可作为防治自身免疫性血小板减少的一种新的策略，且肠道菌群与化疗药物、免疫治疗药物、靶向药物的疗效相关性及耐药逆转相关[20-21]。

4 肠道菌群代谢产物与IR

IR是指机体对胰岛素反应性下降，导致组织细胞葡萄糖摄取和利用障碍，为T2DM的核心特征。AD患者大脑葡萄糖代谢过低，被称为脑IR[22]。目前的研究表明，IR与宿主肠道菌群的组成变化、细菌基因表达和代谢途径的改变有关。在此，我们重点介绍肠道菌群代谢产物，如短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)、5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)等是如何通过改变IR来影响T2DM和AD的发生发展的。

4.1SCFAs SCFAs指含有1～6个碳原子的饱和脂肪酸，主要有乙酸、丙酸和丁酸，是膳食纤维经肠道菌群发酵的主要产物。除了作为能量底物，SCFAs还可以作为信号分子，调节各种组织器官的物质能量代谢、神经内分泌和免疫炎症反应。乙酸乙酯通过使胰岛素受体底物-1(insulin receptor substrate-1,IRS-1)丝氨酸磷酸化表达减少、酪氨酸磷酸化表达增加，促使IRS-PI3K-AKT磷酸化激活，正向调控GLUT4，增加组织的葡萄糖摄取[23]。SCFAs作用于结肠黏膜的游离脂肪酸受体2，激活G蛋白偶联受体41和G蛋白偶联受体43，通过磷酸化ERK和p38 MAPK途径，上调胰高糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)的表达，增强过氧化物酶体增殖活化受体γ(peroxisome proliferation activated receptor-γ,PPARγ)活性，增加线粒体解偶联蛋白2的表达，提高AMP/ATP比值，从而通过AMPK刺激肝脏和脂肪组织的氧化代谢，可以作为一种廉价和选择性的PPARγ调节剂用于治疗[24-26]。SCFAs对维持肠道的屏障功能也有一定的作用，IR患者体内SCFAs的产生较少，导致肠道屏障受损，细菌产生的炎性进入血液循环，导致机体发生慢性炎症，促进IR的发生[27]。SCFAs还可调控内质网蛋白质分子的正确折叠、促进质膜的运动和融合，在分泌性和膜性蛋白质二级和高级结构形成、蛋白质的运输和分泌中有重要作用，直接影响胰岛素的生物学功能和Aβ的产生，并抑制淀粉样蛋白的聚集。丁酸钠通过抑制组蛋白去乙酰化酶，下调ERS相关凋亡通路蛋白的表达，抑制ERS的相关通路减轻T2DM[28]。

4.2GABA GABA是四碳非蛋白质氨基酸，宏基因组DNA测序显示，肠道菌群谷氨酸脱羧酶编码基因丰富，多种菌属可以产生或代谢GABA，其中拟杆菌属、副拟杆菌属和埃希杆菌属的产生通路表达活跃。作为重要的抑制性神经递质，GABA以两性离子及多分子构象共存形式发挥多样的生理功能，调节突触传递、促进神经发育；在胰腺作为胰岛内的自分泌或旁分泌信号，刺激胰岛素释放和预防胰腺损伤，抑制胰高血糖素分泌，可改变宿主行为模式并调节葡萄糖稳态[29-30]。GABA还可通过影响肠道菌群改善SCFAs的分布[31]。代谢功能障碍小鼠接受GABA或GABA产生菌株L.brevis DPC6108/L.brevis DSM32386干预后，葡萄糖刺激的胰岛素分泌(glucose-stimulated insulin secretion,GSIS)增加，葡萄糖漂移率明显改善[32]。GABA可上调肝脏糖原合成酶及胰岛素诱导基因的表达，促进IR大鼠GLUT4基因表达，抑制葡萄糖-6-磷酸酶等糖异生酶的表达，加强肝脏和肌肉对葡萄糖的摄取和利用，提高胰岛素敏感性，缓解IR，已成为治疗糖尿病的新型功能因子。有研究表明，GABA引起膜去极化和Ca2+流入，激活PI3K/AKT依赖的生长和存活通路，并恢复β细胞质量[33]。GABA优先上调与细胞增殖相关的通路，形成具有独特转录特征的细胞亚群，包括尿皮质素3、无翅整合位点4和肝细胞黏附分子2，激活AMPK和AKT通路，增强中枢和外周组织的葡萄糖处理和糖原合成，抑制GSK-3β[34]。GABA通过抑制大脑皮层中Fas依赖和线粒体依赖的凋亡通路，抑制与神经系统相关的糖尿病并发症，并可以有效降低血清鞘脂，而鞘脂是IR的标志[35]。

4.35-HT 5-HT为吲哚衍生物，约90%生成并储存于肠道的肠嗜铬细胞。肠道产孢类细菌通过影响色氨酸羟化酶(tryptophan hydroxylase,TpH)的表达调控5-HT生成，虽然机制尚不完全清楚，但已提出SCFAs刺激TpH1表达的作用，此外，次生胆汁酸也能促进5-HT的生物合成[36-37]。5-HT显著诱导过氧化物酶体增殖活化受体共激活因子1的mRNA表达，并调节ERK通路，诱导小鼠骨骼肌线粒体活性增加和能量代谢的升高，缓解代谢紊乱，促进胰岛细胞增殖[38]。5-羟色胺2c受体激动剂(5-HT2cR)可改善糖耐量受损，同时降低血胰岛素水平，而活化中枢5-HT2cR激发厌食效应，减少Aβ的产生。在妊娠小鼠模型中，5-HT通过5-HT2b受体和5-HT3受体以旁分泌/自分泌方式促进细胞增殖和GSIS[39]。除此之外，吲哚衍生物还可以抑制淀粉样蛋白聚集、延迟积累[40]。5-HTR的配体化合物是否能够成为治疗T2DM和AD的潜在药物，已成为新的研究方向。

5 结语

肠道菌群代谢产物失调可引起IR，IR可引起T2DM及AD，而T2DM又是AD的危险因素。IR与衰老相关疾病密切相关，但其始动因素存在较多争议，肠道微环境呈现了一个新视角，从而为IR相关衰老性疾病的防治提供了一个新靶点。调整肠道菌群，使其结构及代谢产物处于对人体生理机能调控的最佳状态，是防治T2DM、AD等IR相关衰老性疾病的最有效方法之一。