章 娜，張海波，黎力之，廖曉鵬，關(guān)瑋琨*，郭冬生*

（1.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西省高等學(xué)校硒農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，宜春市功能農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室，江西宜春 336000；2 宜春學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，江西宜春 336000）

腸道菌群參與體內(nèi)碳水化合物、脂肪等營養(yǎng)素的吸收過程，影響糖脂代謝，與動物健康狀況密切相關(guān)[1]。腸道菌群結(jié)構(gòu)改變可激活或抑制短鏈脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFAs）、次級膽汁酸和脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）等代謝物所介導(dǎo)的相關(guān)受體通路，調(diào)控糖脂代謝[2-6]。SCFAs 通過G 蛋白偶聯(lián)受體（G Protein Coupled Receptors，GPRs）和腺苷酸活化蛋白激酶（Adenylate Activated Protein Kinase，AMPK）影響機(jī)體胰島素分泌及脂肪沉積作用[2-3]。膽汁酸（Bile Acid，BA）經(jīng)菌群代謝作用從初級膽汁酸轉(zhuǎn)變?yōu)榇渭壞懼?，促進(jìn)法尼醇X 受體（Farnesoid X Receptor，F(xiàn)XR）和G 蛋白膽汁酸偶聯(lián)受體5（Takeda G-protein-coupled Receptor 5，TGR5）活化，調(diào)控機(jī)體糖脂代謝[4]。LPS 則誘導(dǎo)Toll 樣受體4（Toll Like Receptor 4，TLR4）和絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen Activated Protein Kinase，MAPK）信號通路，促使動物體發(fā)生胰島素抵抗和炎癥反應(yīng)[5-6]。腸道菌群代謝物種類繁多且與糖脂穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)，因此本文重點(diǎn)闡述SCFAs、次級膽汁酸和LPS 在糖脂代謝中的作用途徑及外源添加后對動物生產(chǎn)的影響，為提高動物生產(chǎn)性能、指導(dǎo)畜牧生產(chǎn)實(shí)踐提供更多依據(jù)。

1 腸道菌群主要代謝物

腸道菌群代謝物種類頗多，包括SCFAs、次級膽汁酸、LPS、氧化三甲胺和硫化氫等，其中主要代謝物SCFAs、次級膽汁酸和LPS 對動物糖脂代謝起調(diào)節(jié)作用[1]。腸道菌群通過發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生SCFAs，既為宿主提供能量來源，又可激活受體協(xié)調(diào)機(jī)體代謝功能[7]。例如球形梭菌、柔嫰梭菌產(chǎn)生的丁酸鹽不僅為結(jié)腸上皮細(xì)胞提供能量，還可轉(zhuǎn)運(yùn)到外周循環(huán)中協(xié)調(diào)機(jī)體能量代謝；乙酸可結(jié)合GPR43 受體或經(jīng)神經(jīng)調(diào)節(jié)影響糖脂代謝途徑；丙酸能作為腸內(nèi)糖異生底物，長期攝入可改善胰島素抵抗和糖代謝紊亂[7-8]。腸道菌群通過膽酸鹽水解酶和膽固醇7α-羥化酶，將肝臟產(chǎn)生的原膽汁酸轉(zhuǎn)化為脫氧膽酸（Deoxycholic Acid，DCA）、熊脫氧膽酸（Ursodeoxycholic Acid，UDCA）等次級膽汁酸[7,9]。研究發(fā)現(xiàn)，UDCA 可降低體內(nèi)膽固醇合成及分泌，破壞膽結(jié)石形成，調(diào)節(jié)脂類代謝[10]。菌群失調(diào)打破膽汁酸代謝平衡，次級膽汁酸生成減少，葡萄糖穩(wěn)態(tài)失調(diào)和膽固醇分解受阻，致使糖脂代謝紊亂[1]。LPS 位于大腸桿菌等革蘭氏陰性菌（Gram-negative Bacteria，G-）細(xì)胞壁最外層，在菌體崩解時釋放大量的類脂A 成分——內(nèi)毒素。LPS 大量存在時，破壞動物腸道屏障功能，致使腸道炎癥發(fā)生和胰島素抵抗[7]。無菌小鼠腸道接種G-菌后，LPS 含量增加，小鼠肥胖且體內(nèi)胰島素敏感性降低[11]。由此可知，SCFAs、次級膽汁酸和LPS 調(diào)控動物糖脂代謝，影響宿主葡萄糖吸收及脂肪沉積。

2 腸道菌群代謝物對糖脂代謝的調(diào)控作用

2.1 SCFAs 對糖脂代謝的調(diào)控作用 GPRs 家族中最重要的2 個SCFAs 受體GPR41 和GPR43 在調(diào)節(jié)糖脂代謝中發(fā)揮重要作用。在回腸和結(jié)腸的腸上皮細(xì)胞上，SCFAs 作為信號分子，結(jié)合并激活GPR41 和GPR43 受體[2]，誘導(dǎo)胃腸肽類激素酪酪肽（Peptide YY，PYY）和胰高血糖素樣肽-1（Glucagon-like Peptide 1，GLP-1）的釋放[12]。當(dāng)菌群失調(diào)造成SCFAs 水平降低時，GPR41 激活減少，其所調(diào)節(jié)的腸道L 細(xì)胞PYY 分泌量下降，促使機(jī)體攝入過量食物，引發(fā)代謝紊亂[13]。此外，菌群紊亂促使GPR43 在調(diào)節(jié)脂肪-胰島素途徑中的信號作用減弱，減少機(jī)體能量消耗，脂肪沉積增加[14]。當(dāng)GPR43 活性降低時，其調(diào)節(jié)腸道L 細(xì)胞胞漿中Ca2+水平的功能減弱，降低GLP-1 分泌量[15]。GLP-1 是一種腸促胰素，可減少胰高血糖素分泌，平衡脂肪沉積。GLP-1 一方面影響“腸-胰島軸”，促進(jìn)胃排空，提高食物攝入量；另一方面引起胰島β細(xì)胞遭受糖毒性和炎癥損傷，誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞凋亡，胰島素分泌量下降和機(jī)體對胰島素敏感性降低[16]。上述研究表明GPR41 和GPR43 被SCFAs 激活，通過SCFAs/GPRs 途徑參與動物糖脂代謝調(diào)節(jié)（圖1）。

AMPK 是一種重要的蛋白激酶，在調(diào)節(jié)肝臟糖脂代謝和胰島素抵抗中發(fā)揮重要作用。SCFAs 濃度升高可激活A(yù)MPK，促進(jìn)體內(nèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（Glucose Transporter 4，GLUT4）基因表達(dá)與轉(zhuǎn)錄，使細(xì)胞膜內(nèi)GLUT4 向胞膜異位，刺激機(jī)體對葡萄糖攝取增加[3]。研究表明，激活A(yù)MPK 途徑可增加體內(nèi)GLUT4 含量，促進(jìn)發(fā)生胰島素抵抗的動物骨骼肌細(xì)胞中的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)，維持葡萄糖穩(wěn)衡[17]。在GLUT4基因敲除小鼠模型中，機(jī)體胰島素敏感性和葡萄糖利用率降低，導(dǎo)致糖代謝失調(diào)[18]。此外，AMPK 信號通路能抑制脂肪酸合成酶、乙酰輔酶A 羧化酶活性，加速脂肪酸氧化分解，體脂生成減少，胰島素抵抗作用減弱。雖然SCFAs 激活A(yù)MPK 可作為代謝調(diào)節(jié)器在改善胰島素抵抗上產(chǎn)生積極影響（如刺激動物體葡萄糖攝取增加），但在探索利用AMPK 治療代謝紊亂性疾病時，還需考慮其過度激活帶來的不利影響。

2.2 次級膽汁酸對糖脂代謝的調(diào)控作用 肝臟產(chǎn)生的原膽汁酸經(jīng)由腸道菌群加工修飾，轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸，活化FXR 和TGR5，調(diào)節(jié)能量平衡及胰島素敏感性變化等過程[4]。因此，菌群失調(diào)會使次級膽汁酸生成減少，降低膽汁酸受體活性，引起動物糖脂代謝紊亂。

FXR 受體在肝臟、腸道、白色脂肪組織、腎上腺和胰腺等組織器官中表達(dá)。次級膽汁酸激活FXR 所介導(dǎo)的多種途徑以維持機(jī)體能量代謝穩(wěn)態(tài)：①誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞生長因子FGF19 在腸內(nèi)表達(dá)和分泌，調(diào)節(jié)機(jī)體葡萄糖動態(tài)平衡。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF19 還有類胰島素的作用，在給高脂小鼠注射后，改善了胰島素抵抗，增加了小鼠體內(nèi)能量消耗，體重減輕[19]。②肝臟中的BAFXR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)下調(diào)磷酸烯醇丙酮酸激酶、葡萄糖-6-磷酸酶和果糖雙磷酸酶-1 等與肝臟糖異生作用相關(guān)酶的基因表達(dá)，促使葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)楦翁窃_(dá)到降低血糖的目的。③FXR 通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體-γ（Peroxisome Proliferator-activated Receptorγ，PPARγ）的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化，還可抑制WNT/β-catenin 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路控制體內(nèi)脂肪沉積[20]。小鼠在PPARγ基因敲除后，表現(xiàn)出肥胖抵抗力和胰島素敏感性增加[21]。④FXR 調(diào)節(jié)腸道中膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)過程，抑制肝X 受體對固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c 的誘導(dǎo)，減少極低密度脂蛋白分泌量，調(diào)節(jié)機(jī)體脂代謝過程[22]。缺少FXR 時，機(jī)體基礎(chǔ)脂解減少，甘油三酯含量增加，影響脂代謝平衡[23]。

TGR5 的發(fā)現(xiàn)也為次級膽汁酸介導(dǎo)的能量代謝調(diào)節(jié)提供新的研究方向。TGR5 由GPBAR1基因編碼，在L 細(xì)胞、棕色脂肪組織（Brown Adipose Tissue，BAT）、非實(shí)質(zhì)肝細(xì)胞等位置進(jìn)行表達(dá)[7,24]。其中，TGR5 在BAT 中上調(diào)2 型碘化甲狀腺原氨酸脫碘酶（Type 2 Iodothyronine Deiodinase，D2）基因的表達(dá)，將甲狀腺素轉(zhuǎn)化為3，5，3'-三碘甲狀腺原氨酸，提升甲狀腺激素作用，調(diào)節(jié)機(jī)體能量代謝[25]。DCA 等次級膽汁酸配體激活TGR5，釋放G 蛋白α-S 亞基激活腺苷酸環(huán)化酶后，催化ATP 環(huán)化形成環(huán)磷酸腺苷（Cyclic Adenosine Monophosphate，cAMP）。TGR5-cAMP途徑激活蛋白激酶A（Protein Kinase A，PKA），介導(dǎo)其在維持糖脂穩(wěn)態(tài)等方面的作用[26]。此外，TGR5-cAMP 還可誘導(dǎo)胰高血糖素原基因的表達(dá)，使腸道L 細(xì)胞中GLP-1 分泌量增加[27]。綜上所述，次級膽汁酸可促進(jìn)膽汁酸受體FXR 和TGR5 活化，穩(wěn)定血糖并防治動物糖代謝紊亂（圖2）。但其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)節(jié)代謝途徑多樣，目前研究尚未論證是否還存在經(jīng)菌群和BA代謝變化直接或間接產(chǎn)生的其他受體激動劑及拮抗劑，仍需深入研究。

2.3 LPS 對糖脂代謝的調(diào)控作用 腸道菌群發(fā)生紊亂時，有益菌數(shù)量減少，G-菌大量滋生，引起腸道屏障功能受損，腸壁通透性增加[28]。LPS 和致病菌通過腸壁進(jìn)入血液循環(huán)，引發(fā)代謝性內(nèi)毒素血癥，誘發(fā)全身低度慢性炎癥，致使胰島素脫敏和體脂異常累積[28]。LPS主要介導(dǎo)TLR4 和MAPK 信號通路調(diào)節(jié)機(jī)體炎癥發(fā)生、胰島素抵抗和糖脂代謝平衡[5-6]。

TLR4 是天然免疫的核心，在識別LPS 大量入侵后，與其特異性配體結(jié)合，激活核因子κB（Nuclear Factor-Kappa B，NF-κB）信號通路產(chǎn)生免疫應(yīng)答，觸發(fā)級聯(lián)炎癥反應(yīng)[5]。在CD14 蛋白協(xié)助下，LPS 被轉(zhuǎn)運(yùn)到受體TLR-4/髓系分化蛋白-2 復(fù)合物后，增加TLR4 激活量，通過髓樣分化因子88-依賴/獨(dú)立通路促使NF-κB基因轉(zhuǎn)錄，釋放促炎細(xì)胞因子（如TNF-α、IL-6 等），在胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下加速炎癥發(fā)生，破壞糖脂代謝穩(wěn)態(tài)[29-30]。Fei 等[11]將LPS 注射進(jìn)小鼠體內(nèi)后，引發(fā)機(jī)體炎性反應(yīng)，致使體脂異常沉積和胰島素對糖代謝調(diào)節(jié)作用減弱。綜上所述，LPS 調(diào)控TLR4 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路為解決動物炎癥和糖脂代謝紊亂提供重要參考意義（圖3），其是否會與其他TLRs 受體通路共同作用，有待進(jìn)一步研究和論證。

LPS 激活MAPK 通路，參與細(xì)胞增殖、分化和糖代謝等多種生理過程[5]。在MAPK 信號通路中，c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal Kinase，JNK）與胰島素抵抗相關(guān)，一方面抑制胰島素受體底物-1 的酪氨酸殘基磷酸化，另一方面誘導(dǎo)其絲氨酸殘基發(fā)生異常磷酸化，影響機(jī)體胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和敏感性，觸發(fā)胰島素抵抗[6]。在動物糖尿病建模中，去除JNK 作用后，胰島素和葡萄糖水平顯著下降[31]。這也恰恰說明LPS 激活MAPK 信號通路對維持機(jī)體代謝平衡至關(guān)重要，但此通路十分復(fù)雜，其所分出的其他旁系支路參與糖脂代謝調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步剖析和驗證。

3 外源添加腸道菌群代謝物對動物生產(chǎn)的影響

3.1 在動物疾病方面 SCFAs 促進(jìn)腸道健康發(fā)育，增強(qiáng)免疫抗病力，減少炎癥發(fā)生，從而防治動物疾病。日糧中添加0.2%丁酸可減少大腸桿菌在仔豬腸道內(nèi)附植，緩解溶血性尿毒癥，并增加機(jī)體防御肽含量[32]；Niederwerder 等[33]研究發(fā)現(xiàn)腸道pH 小于4 時，非洲豬瘟病毒難以生存，而SCFAs 大量存在時腸道pH 降低，可嘗試將SCFAs（如乙酸）加至飼料或飲水中達(dá)到防控效果。此外，當(dāng)石膽酸等次級膽汁酸因膽汁酸代謝失調(diào)合成受阻，艱難梭菌大量增殖，腸道疾病感染率增加并引發(fā)動物腸道炎癥；次級膽汁酸還通過FXR 調(diào)節(jié)動物體膽固醇含量和脂類代謝，改善高脂動物高膽固醇血癥[34-35]。而LPS 與上述2 種代謝物作用相反，LPS 促使炎癥因子（如TNF-α、IL-6 等）大量釋放，嚴(yán)重破壞畜禽免疫機(jī)能，造成機(jī)體損傷。唐志文等[36]研究發(fā)現(xiàn)LPS 可加劇奶牛炎癥發(fā)生和亞急性瘤胃酸中毒。Xu 等[37]給新生仔豬連續(xù)灌胃丁酸鈉7 d 后，發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)炎癥因子水平顯著降低，腸道炎癥減少，改善了仔豬腹瀉。這也說明SCFAs能在一定程度上有效緩解LPS 導(dǎo)致的腸道炎癥。

3.2 在畜禽生產(chǎn)方面 在家畜方面，仔豬飼糧中添加1 000 g/t 包膜丁酸鈉可顯著增大小腸黏膜吸收表面積，增加體內(nèi)養(yǎng)分消化利用率和日增重，降低耗料增重比[38]；朱彥賓等[39]在母豬妊娠期間飼喂丁酸鈉，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)后進(jìn)食量及斷奶仔豬體重均顯著增加，降低死亡率；奶牛胃腸道LPS 增多時，上皮細(xì)胞功能受損，阻礙營養(yǎng)物質(zhì)攝入，泌乳和繁殖性能下降[36]。在家禽方面，雛雞飼料中添加膽酸鹽可顯著提高脂肪酶活性和飽和脂肪酸利用率，脂肪乳化作用增強(qiáng)，促進(jìn)仔雞對脂肪的消化吸收[40]。江丹莉等[41]對山麻鴨注射LPS 后，發(fā)現(xiàn)維持自身生長的能量物質(zhì)大都用于免疫系統(tǒng)激活，增重率和飼料回報率降低。在水產(chǎn)動物方面，添加SCFAs 可促進(jìn)魚蝦類對飼料營養(yǎng)的吸收和代謝，提高增重率。有研究表明，添加丙酸鹽對羅非魚吸收營養(yǎng)物質(zhì)起積極作用，可提高蛋白質(zhì)產(chǎn)值和利用效率，促進(jìn)生長[42]。南美白對蝦飼料中添加丙酸鈉可改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)體內(nèi)能量和磷的消化利用，體重增加[43]。但SCFAs 對水產(chǎn)動物中營養(yǎng)調(diào)控和促生長機(jī)制的研究尚少，有待深入研究。綜上，在飼糧中合理添加外源腸道菌群代謝物可補(bǔ)充其內(nèi)源不足，提高畜禽生長率和飼料轉(zhuǎn)化率，改善動物生產(chǎn)性能。

4 總結(jié)與展望

SCFAs 可激活GPRs 和AMPK 影響機(jī)體胰島素敏感性及脂肪沉積；次級膽汁酸促進(jìn)FXR 和TGR5 活化，調(diào)節(jié)動物糖脂穩(wěn)態(tài)；LPS 誘導(dǎo)TLR4 和MAPK 受體通路，引起動物體炎癥反應(yīng)和胰島素抵抗。腸道菌群代謝物與動物體健康密切相關(guān)，探究其在糖脂代謝方面的調(diào)控機(jī)理，有利于改善代謝紊亂、防治動物疾病，提高動物生產(chǎn)性能。但有些問題仍亟待研究：①腸道菌群代謝物及其所調(diào)控糖脂代謝通路間的互作關(guān)系；②腸道菌群代謝物復(fù)雜，對糖脂代謝調(diào)控作用僅是其生理功能之一，其他功能（如免疫調(diào)節(jié)）與糖脂代謝如何相互作用；③SCFAs 和次級膽汁酸雖有助于糖脂穩(wěn)態(tài)維持和動物健康生長，但其使用劑量和適用動物對象受限仍需確定，例如使用過量易患酸中毒和BA 淤積導(dǎo)致妊娠期母體和胎兒受損。客觀全面地了解腸道菌群代謝物生理功能及調(diào)節(jié)糖脂代謝作用機(jī)理，對其作為一種潛在營養(yǎng)調(diào)控方式，維持動物體代謝平衡意義重大。因此，可考慮通過調(diào)節(jié)體內(nèi)腸道菌群及代謝物含量，發(fā)揮其代謝調(diào)節(jié)作用，促進(jìn)動物生產(chǎn)性能和畜禽養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展。