肠道菌群紊乱与昼夜节律改变及2型糖尿病的关系研究进展

王聪聪综述, 游 娜审校

0 引 言

与快节奏的生活、工作方式的改变相一致，2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的发生率逐年攀升，甚至被称为“21世纪的灾难”，人们对于T2DM的研究也越来越深入，尤其是对其发生机制的探索。研究发现昼夜节律紊乱的疾病谱和代谢异常的疾病谱近乎重合，于是推测昼夜节律失衡和T2DM具有高度相关性。在2017年对致力于生物钟分子机制研究的迈克尔·杨(Michael Young)、杰弗里·霍尔(Michaelrey Rosbash)和迈克尔·罗斯巴什(Michael Rosbash)授予诺贝尔奖更是引起了全球学者对昼夜节律的广泛关注，越来越多的研究都关注了肠道菌群的重要作用，即肠道菌群可影响机体的昼夜节律系统。本文就肠道菌群紊乱与昼夜节律改变及T2DM的关系作一综述。

1 昼夜节律紊乱与T2DM的相关性

昼夜节律是一种为了与周围环境周期性变化保持一致的一种内部节律模式[1]。昼夜节律系统分为中枢和外周两部分，中枢部分位于下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)，起到总起搏器的作用，接受光线在眼部的输入，通过各种可弥散的因子，如皮质醇、褪黑素等，来同步外周的昼夜节律。外周部分则广泛分布于各个组织中，包括肠、肝等等，接受来自中枢和环境、行为的多重调控[2]。哺乳动物的昼夜节律遵循一个约24h的转录-翻译反馈环(transcriptional and posttranslational feedback loop，TTFL)，核心成分包括Clock、Bmal1、Per1、Per2、Per3、Cry1、Cry2[3]，而TTFL有节律的调控机体内包括新陈代谢在内的转录和转录后阶段，将生物钟和代谢过程关联起来[4]。

随着工业化和现代城市的发展，近些年生活方式也发生了剧变，越来越多的人群被诊断为T2DM[5],对于T2DM发生机制的研究也越来越迫切。近年来，越来越多的研究发现昼夜节律的紊乱与T2DM的发生高度相关。轮班工作的人群患有T2DM的风险较高，对于男性及规律值夜班人群更是如此[6]，而且每月夜班的频率和T2DM的发生率呈正相关[7]。在T2DM人群中，与不轮班的人群相比，值夜班的人群普遍血糖控制情况更差[8]。在小鼠试验中，敲除生物钟基因Bmal1会导致胰岛素生理功能的下降，即胰岛素抵抗的发生，从而导致高血糖水平[9]。Clock基因突变可改变胰腺基因的表达，如果发生在刺激-分泌耦合的晚期，会导致β细胞功能缺陷，介导T2DM的发生[10]。因此，不论是从人群还是实验均提示昼夜节律紊乱与T2DM密切联系。

2 肠道菌群在调控T2DM昼夜节律的重要地位

Stenvers等[11]发现T2DM人群核心生物钟基因振幅减低，脂肪组织中的昼夜节律基因明显减少，表现为餐后血糖日间节律的丧失。昼夜节律紊乱包括饮食、光照、睡眠、精神压力等等，正如古人所言“民以食为天”，饮食是其中很重要的一环，而饮食又包括进食时间和饮食结构两个方面。Hutchison等[12]发现夜间进食相比较于白天进食，即使在保持在与上一次进食时间间隔相同的情况下，在胰岛素分泌减少及外周、肝脏胰岛素抵抗的共同作用下，将更容易导致高血糖。Richter等[13]发现进食相同卡路里食物，白天的能量消耗为夜间的2～3倍，引起的血糖及胰岛素波动也较小，这与Hutchison等[12]的研究是一致的。对肥胖人群进行为期1年的饮食控制碳水或脂肪摄入，均出现了厚壁菌门的下降，而此种下降与体重下降的相关性，在控制碳水摄入人群中更为显著[45]。对于通过人为控制进食时间，即间断性禁食对于T2DM的影响颇有争议，或是改善胰岛素抵抗，或是增加小血管并发症风险，但相关研究数量、规模有限，仍需进一步探究[14]。组3先天淋巴样细胞(ILC3)广泛分布于肠道之中，在宿主-微生物相互作用中起着重要的作用，介导着诸多肠道慢性疾病的发生，ILC3不光有着自身的震荡节律，而且被发现与诸多昼夜节律相关基因(BMAL1等)密切相关[15]。

给敲除了昼夜节律相关基因(CRY、PER等)的小鼠进行时间限制性喂养(TRF，仅可在夜间时相及活跃时相限制性进食10h)可通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白1(mTORC1)、综合应激(ISR)等通路改善小鼠的糖不耐受及胰岛素抵抗情况，从而减缓T2DM的发生[16]。不规律进食引起的昼夜节律的紊乱与T2DM的发生发展有着直接的关系，而饮食被普遍认为是调控肠道菌群的主要途径之一，提示了肠道菌群在T2DM昼夜节律的重要性。将昼夜节律紊乱小鼠与对照组小鼠均给予高脂饮食，相比较于对照组小鼠，昼夜节律紊乱组小鼠体重升高与糖尿量异常更加明显，而对两组进行广谱抗生素处理后此种差异消失，给无菌小鼠抑制昼夜节律紊乱小鼠肠道菌群出现了同样的体重增加与糖耐量受损[17]，也印证了肠道菌群在调控T2DM节律性的重要作用。

3 T2DM昼夜节律对肠道菌群的影响

肠道作为重要的外周生物钟器官，不仅仅接受中枢生物钟信息的调控，还拥有自己的震荡节律，通过控制肠道蠕动、肠道分泌等影响全身的生理活动。而当肠道菌群与生物钟的相互作用受到破坏时，会导致肥胖、胰岛素抵抗等代谢紊乱，从而加速T2DM的发生[18]。Beli等[19]发现T2DM模型小鼠艾克曼菌属(Akkermanisa)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)、别样棒菌属(Allobaculum)和颤螺菌属(Oscillospira)昼夜节律的丧失和普雷沃菌属(Prevotella)和变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)的振荡相位偏移。在三个独立的大规模种群(KORA，enable和FoCus)的大型研究中，Reitmeier等[20]发现T2DM人群中艾克曼菌属(Akkermanisa)、拟杆菌(bacteroidetes)双歧杆菌属(Bifidobacterium)、粪球菌属(Coprococcus)、普雷沃氏菌属(Prevotella)、罗氏菌属(Roseburia)、瘤胃球菌(Ruminococcus)等多种菌属皆不同程度上丧失节律性。Guo 等[21]发现通过持续黑暗刺激诱导宿主昼夜节律紊乱导致的肠道菌群紊乱与高脂饮食诱导T2DM的肠道菌群紊乱相一致。以上皆表明T2DM昼夜节律对肠道菌群的组成和自身震荡均发挥了作用。

4 肠道菌群对T2DM昼夜节律的作用

二甲双胍作为治疗T2DM的常见药物，被证实通过上调黏蛋白-艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)以及产黏蛋白的杯状细胞而发挥降糖作用[22]，而且可通过AMPK的激活而正向激活昼夜节律时钟环[23]。给无特定病原菌小鼠提供高脂饮食诱导T2DM的发生过程中会上调夜间时相下丘脑BMAL1和肝脏PER2基因的表达，而无菌小鼠使用高脂饮食是则未发生此类改变，证实了肠道菌群会影响昼夜节律基因的表达。西方的高脂饮食会引起肝脏昼夜节律调节网络的破坏[24]，生酮饮食会显著改变肝脏生物钟控制基因振幅以及BMAL1染色质的招募[25]，不同的饮食结构皆是通过肠道菌群来发挥作用的，不同的饮食结果对T2DM的发生发展也至关重要。

5 肠道菌群影响T2DM生物钟的可能作用机制

5.1 肠道菌群的代谢物短链脂肪酸(short chain fatty acid，SCFAs)是肠道菌群在结肠中对难消化碳水化合物发酵的产物，主要包括丁盐酸、丙盐酸和乙酸盐[26]。在小鼠中，通过口服补充短链脂肪酸和乳酸盐可暂时改变生物钟基因PER2的节律[27]。SCFAs通过作用于其特异性受体(deorphaned G protein-coupled receptor 43，GPR43)抑制脂肪细胞的胰岛素信号，从而抑制脂肪细胞中脂肪的积累，加速其他组织未结合脂质和糖的代谢分解，最终可增加胰岛素的敏感性[28]。还可作用于免疫细胞的招募，控制中性粒细胞的趋化作用及T调节细胞的增值，介导肠道炎症反应[29]。研究表明SCFAs，尤其是丁酸盐、丙酸盐可使过氧化物酶体增殖体激活受体(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs)磷酸化，从而激活PPARs的转录活性，而PPARs作为一类核受体，对机体新陈代谢起重要作用[30]。丁盐酸能够抑制NAD+依赖性的组蛋白去乙酰化酶，如sirtuin-1(SIRT1)[31]，SIRT1可促进BMAL1与CLOCK蛋白联结的二聚体的乙酰化从而影响昼夜节律[32]。SIRT1通过脂肪和葡萄糖代谢途径，通过促进肝糖原生成和脂肪酸氧化，对胰岛素敏感性产生影响，在维持昼夜节律和能量稳态方面起着关键作用[33]。

肠道菌群将初级胆汁酸生物转化为次级胆汁酸，不仅参与信号转导过程[44]，在体外模型试验中被证实可影响生物钟：当小鼠口服胆汁酸后，在其回肠、结肠和肝脏中会发现生物钟基因的上调及其表达的改变[34]。而肝细胞中的胆汁酸被发现可时间依赖性的干扰共转录激活剂p300对PPARα的招募，抑制PPARα的表达[35]，从而影响机体的新陈代谢。在肠道菌群中有许多对胆汁酸敏感的革兰阴性菌通过其脂多糖内毒素介导肠道慢性炎症[36]，在T2DM模型的小鼠中也发现了循环系统中高浓度的胆汁酸[37]。

肠道菌群可利用特异性酶参与结肠部位的硫酸化合物循环，导致硫化氢(H2S)的产生增加[38]。H2S已被证实会引起生物钟基因BMAL1的表达发生阶段性延迟，在高脂饮食的小鼠中，与丁盐酸的减少同步，H2S的产生明显增加，同时底物氧化受到抑制，小鼠的整体血糖水平也是上升的[24]。

5.2激素下丘脑室旁核直接受中枢生物钟(视交叉上核SCN)的控制分泌促肾上腺皮质激素释放激素，刺激垂体前叶分泌促肾上腺皮质激素，构成了下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA)轴，HPA轴在昼夜节律的影响下震荡，糖皮质激素则为此系统的负反馈信使，肠道菌群可通过反馈机制影响糖皮质激素的水平，而糖皮质激素可影响糖脂代谢，破坏SCN以及外周的昼夜节律性[39]。

褪黑素是一种来源于血清素的生物胺，在大脑中合成后，与调节睡眠/觉醒功能有关。褪黑素分泌到胃肠腔内，并表达出昼夜模式的群落和运动性，肠道源性褪黑素被认为在调节胰岛素敏感性和线粒体氧化中起作用[40-41]。

5.3作用于肠上皮细胞NFIL3为一种转录因子，被人们广泛认为表达与免疫细胞之中，调控机体的免疫功能，但有研究发现，肠上皮细胞也表达NFIL3，无菌小鼠肠上皮的NFIL3表达量下降。NFIL3具有昼夜震荡，可控制昼夜脂质代谢程序，调控脂质的输入和输出，从而影响机体的代谢功能[42]，因此可推测肠道菌群可通过NFIL3影响T2DM的昼夜节律。

小鼠肠道菌群可以促进肠道上皮组织蛋白去乙酰化酶3(histone deacetylase3,HDAC3)的昼夜震荡，而HDAC3又会有节律的调节组蛋白乙酰化，从而影响代谢基因的表达以及营养物的摄取[43],因此HDAC3将肠道菌群与T2DM、昼夜节律联系了起来。

6 结 语

目前T2DM与昼夜节律的具体作用机制尚未完全清晰，但是肠道菌群在其中发挥着不可替代的作用。目前，越来越多的研究发现肠道菌群对于包括传染性疾病、代谢性疾病等都发挥着重要的作用[44-45]，结合之前的研究，本文从三个方面讨论了肠道菌群对T2DM昼夜节律调控作用的可能机制，随着其他机制的发现，我们可从不同角度认识T2DM的发生发展过程，并且为降糖药物的研发提供新思路。