張 晨，敖日格樂*，王純潔，斯木吉德

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018）

在哺乳動物體內(nèi)有一個豐富的微生態(tài)系統(tǒng)，微生物總量可達(dá)到宿主體細(xì)胞總數(shù)的10 倍，總體基因組數(shù)能達(dá)到150 倍[1]。不同個體之間的微生物群各不相同，隨著時間的推移，個體中的微生物群也會發(fā)生明顯改變。研究表明，腸道菌群與宿主的免疫功能密切相關(guān)，在其影響宿主免疫功能的同時，宿主的免疫系統(tǒng)也可能同時在保護(hù)腸道益生菌[2]。宿主與微生物之間的相互作用可以維持機體的穩(wěn)態(tài)，當(dāng)機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)被打亂就可能導(dǎo)致慢性炎癥和代謝功能障礙[3]。此外，環(huán)境因素、衛(wèi)生和抗生素的使用以及低纖維、高糖高脂的飲食都會導(dǎo)致腸道菌群失衡，繼而影響宿主健康[4]。腸道微生物已被證實具有調(diào)節(jié)免疫的發(fā)展和代謝功能及預(yù)防疾病（如過敏、結(jié)腸癌和炎性腸?。┑仍S多有益功能[5-6]。大多數(shù)有益功能是由短鏈脂肪酸（SCFA）介導(dǎo)，SCFA 主要由乙酸、丙酸和丁酸組成，它們除了作為重要的能源，還可以影響機體血糖和血脂水平、結(jié)腸環(huán)境及免疫功能。本文綜述腸道中微生物SCFA 的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)運及其對腸道細(xì)胞和免疫反應(yīng)的影響，以期為SCFA 作為動物營養(yǎng)素研究提供理論依據(jù)。

1 SCFA 的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)運

1.1 SCFA 的產(chǎn)生 SCFA 是飽和脂肪族有機酸，由1～6個碳組成，其中乙酸、丙酸和丁酸含量最高（≥95%），三者在結(jié)腸中的摩爾比近似為60:20:20[7-8]，主要由低聚糖、非淀粉多糖（NSP）、抗性淀粉（RS）等發(fā)酵產(chǎn)生，其中RS 是產(chǎn)生丁酸的重要來源。對于個體不同腸道部位，近端結(jié)腸的總SCFA 濃度高于遠(yuǎn)端結(jié)腸[9]。然而目前無法準(zhǔn)確得知腸道菌群對SCFA 的生產(chǎn)量，因為大多數(shù)SCFA 都已在結(jié)腸腔中被吸收，而且體外培養(yǎng)不同于體內(nèi)情況，在分離微生物期間，菌群的多樣性會發(fā)生急劇變化，同時產(chǎn)物也會在發(fā)酵中累積。而SCFA 濃度與細(xì)菌的底物有關(guān)，糞便中的SCFA 分析結(jié)果可以作為腸道中SCFA 水平的近似值，從而可以推斷出SCFA在腸道與糞便中的關(guān)系[10]。

乙酸是多種細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)物，通過乙酰輔酶A 或Wood-Ljungdahl 途徑由丙酮酸從丙酮酸鹽中生產(chǎn)[11]。丙酸是擬桿菌門發(fā)酵的主要產(chǎn)物，通過琥珀酸酯途徑從琥珀酸酯轉(zhuǎn)化為甲基丙二酰輔酶A 產(chǎn)生，也可以以乳酸為前體，通過丙烯酸酯途徑和丙二醇途徑合成[12]。丁酸是厚壁菌門的主要代謝產(chǎn)物，是由2 個乙酰-CoA分子縮合，然后還原為丁酰-CoA，通過磷酸轉(zhuǎn)丁酰酶和丁酸酯激酶將其轉(zhuǎn)化為丁酸；丁酰-CoA 也可以通過乙酰-CoA 轉(zhuǎn)移酶途徑轉(zhuǎn)化為丁酸酯，腸道中的某些微生物可以同時使用乳酸鹽和乙酸鹽來合成丁酸鹽，從而防止乳酸鹽的積累并穩(wěn)定腸道環(huán)境；還可以通過賴氨酸途徑由蛋白質(zhì)合成丁酸，這進(jìn)一步表明腸道中的微生物可以適應(yīng)營養(yǎng)轉(zhuǎn)換，從而維持SCFA 的合成[13-14]。

1.2 SCFA 的轉(zhuǎn)運 SCFA 可以通過被動擴散滲透通過細(xì)胞膜，但它們的轉(zhuǎn)運主要依靠質(zhì)子偶合單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白1（MCT1/SLC16A1）和鈉偶合單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白1（SMCT1/SLC5A8），MCT1 在腸細(xì)胞頂膜中以依賴H+的方式轉(zhuǎn)運SCFA，SMCT1 對SCFA 陰離子轉(zhuǎn)運與Na+偶聯(lián)轉(zhuǎn)運，其中MCT 的SCFA 陰離子轉(zhuǎn)運作用優(yōu)于SMCT1 的轉(zhuǎn)運[15]。在人、小鼠和大鼠的結(jié)腸中觀察到MCT1 和SMCT1 顯著表達(dá)，且表達(dá)水平高于在回腸中的表達(dá)水平[16]。同樣對于反芻動物，MCT1 蛋白表達(dá)水平為近端結(jié)腸＞遠(yuǎn)端結(jié)腸＞小腸[17]。另一方面，SMCT1主要在近端和遠(yuǎn)端結(jié)腸以及回腸腸上皮細(xì)胞的頂膜中被檢測到。并且GF 小鼠可以通過細(xì)菌與腸道的重新定殖使結(jié)腸和回腸中SMCT1 表達(dá)降低的情況得到改善[18]。

MCT1 作為腸上皮細(xì)胞（IEC）中攝取丁酸的主要轉(zhuǎn)運蛋白，其表達(dá)受丁酸和碳水化合物誘導(dǎo)。研究表明在體外培養(yǎng)人小腸上皮細(xì)胞（AA/C1）中加入不同濃度的丁酸鈉時，Mct1基因與其蛋白的表達(dá)水平均隨丁酸鈉濃度的增加與培養(yǎng)時間的增長而升高，并且發(fā)現(xiàn)丁酸鈉吸收的最大速度顯著增加，但米氏常數(shù)沒有變化，說明丁酸鈉吸收增加是通過增加細(xì)胞膜上Mct1的表達(dá)來實現(xiàn)的[19]。此外，在離體豬結(jié)腸黏膜培養(yǎng)中研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽的直接作用會使Mct1mRNA 表達(dá)上調(diào)[20]。

在大鼠飼糧中添加果膠后，其胃腸道Mct1水平上調(diào)，尤其是在結(jié)腸黏膜的頂膜中更為顯著[21]。在仔豬飼糧中添加燕麥β-葡聚糖，仔豬盲腸段Mct1表達(dá)水平升高[22]。也有研究表明，與可消化淀粉（DS）相比，日糧中添加RS 后，豬盲腸和結(jié)腸黏膜中Mct1mRNA的水平增加；而Smcct1mRNA 水平不受RS 或DS 飲食的影響，表明與Smcct1相比，RS 對Mct1表達(dá)有特異性調(diào)節(jié)[23]。另一方面，高蛋白飲食可導(dǎo)致豬結(jié)腸Mct1的表達(dá)減少，但不會影響丁酸水平，同時伴隨著TNF-α、IL-8和IFN-γmRNA 的表達(dá)增高，說明炎性環(huán)境會影響丁酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白的表達(dá)[20]。

2 SCFA 在腸黏膜中的作用

SCFA 參與調(diào)節(jié)宿主多個系統(tǒng)功能，如腸道、血液、神經(jīng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)，并因其具有抗炎作用而與腸道炎癥密切相關(guān)。SCFA 除了被MCT1 和SMCT1 等轉(zhuǎn)運蛋白吸收后可促進(jìn)細(xì)胞代謝外，還可以作為信號分子影響腸道免疫系統(tǒng)，從而調(diào)控腸道炎癥[24]。大量研究表明，SCFA 主要通過激活細(xì)胞表面G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）以及抑制組蛋白去乙?；?（HDACs）來調(diào)控免疫功能[25]。

2.1 SCFA 對腸細(xì)胞增殖的影響 在GF 和經(jīng)抗生素處理的無特定病原體（SPF）小鼠中，IEC 在腸道隱窩中的增殖活性以及沿隱窩-絨毛軸的遷移均明顯減弱，但在用革蘭氏陽性細(xì)菌以及口服SCFA 治療后，GF 和SPF 小鼠IEC 周轉(zhuǎn)率顯著增加[26]。丁酸在被IEC 吸收后，進(jìn)入線粒體啟動三羧酸循環(huán)，從而為細(xì)胞提供能量，還可以促進(jìn)組蛋白乙?；?，上調(diào)細(xì)胞增殖相關(guān)基因，促進(jìn)細(xì)胞增殖[27]。

但丁酸對腸道干細(xì)胞的作用與IEC 不同。丁酸酯會通過充當(dāng)HDAC 抑制劑并增強細(xì)胞周期負(fù)調(diào)節(jié)因子Foxo3 的啟動子活性來抑制腸道干細(xì)胞增殖[28]。完整的隱窩結(jié)構(gòu)使得干細(xì)胞避免暴露于較高濃度的丁酸鹽中，但已分化的IEC 在更高濃度的SCFA 中不受抑制[29]。這些結(jié)果表明丁酸酯具有細(xì)胞類特異性作用。

此外，相較于正常細(xì)胞，丁酸可以抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)其凋亡，可能是因為癌細(xì)胞缺乏乳腺癌耐藥蛋白（BCRP，一種丁酸流出細(xì)胞的載體）使得丁酸累積，通過抑制HDAC，上調(diào)多種促凋亡蛋白和 （或）下調(diào)多種抗凋亡蛋白的表達(dá)，促使癌細(xì)胞凋亡[30]。但也有研究指出低劑量的丁酸會導(dǎo)致癌細(xì)胞的自噬[31]。

2.2 SCFA 對腸上皮屏障的影響 作為機體重要的防御機制之一，完整的腸上皮屏障可以將機體與腸腔內(nèi)容物分開。而SCFA 對維護(hù)腸上皮屏障有著至關(guān)重要的作用，其中丁酸為主要因素[32]。SCFA 通過誘導(dǎo)小腸上皮細(xì)胞分泌IL-18、抗菌肽、黏蛋白并上調(diào)緊密連接的表達(dá)來調(diào)節(jié)小腸屏障的完整性[33]。丁酸可以促進(jìn)腸道中MUC3和MUC5的表達(dá)從而增加黏液中黏蛋白的產(chǎn)生[34]。作為結(jié)腸細(xì)胞的主要能源，丁酸可以增強腸上皮細(xì)胞系中O2的消耗從而穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）[35-36]。HIF作為一種協(xié)調(diào)屏障保護(hù)的轉(zhuǎn)錄因子在維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)起著關(guān)鍵作用，上皮HIF-1α的缺失會增加對結(jié)腸炎的易感性[33,37-38]。研究表明，在用抗生素治療的小鼠或GF 小鼠中，HIF-1α的表達(dá)和丁酸水平均降低，但在補充丁酸后，HIF-1α的表達(dá)得以恢復(fù)[39]。并且在GF 小鼠結(jié)腸細(xì)胞中觀察到丁酸代謝通路受到抑制，而丁酸鹽的缺失使能量缺乏導(dǎo)致較低的ATP 水平，最終導(dǎo)致自噬，在用產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌對GF 小鼠進(jìn)行再定植后，丁酸為結(jié)腸細(xì)胞供能將自噬抑制到正常水平[40]。總的來說，SCFA 對維護(hù)腸上皮屏障發(fā)揮重要作用。

2.3 SCFA 的抗炎作用

2.3.1 SCFA 作為GPCR 的配體 GCPR 廣泛存在于免疫細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞中，SCFA 主要激活游離脂肪酸受體2（GPR43/FFAR2）、游離脂肪酸受體3（GPR41/FFAR3） 和羥基羧酸受體2（GPR109A/HCAR2）。GPR43/FFAR2 是一種Gi/o和Gq雙偶聯(lián)GPCR，其功能主要由Gi/o介導(dǎo)，但在腸道中只與Gq偶聯(lián)[41]。GPR43的配體主要是乙酸和丙酸，主要表達(dá)部位在結(jié)腸和小腸上皮細(xì)胞、腸內(nèi)分泌細(xì)胞、結(jié)腸固有層細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、骨骼肌等。GPR41/FFAR3 是一種Gi/o偶聯(lián)GCPR，配體親和力為丙酸＞丁酸＞乙酸，主要表達(dá)部位在結(jié)腸和小腸上皮細(xì)胞、結(jié)腸固有層細(xì)胞、脾臟、骨髓、脂肪組織及外周神經(jīng)系統(tǒng)等[42]。GPR109A/HCAR2 僅與Gi/o偶聯(lián)，在腸道中丁酸和β-羥基丁酸酯作為其主要配體，主要表達(dá)部位在結(jié)腸和小腸上皮的頂膜和免疫細(xì)胞[43]。

SCFA 通過激活GPCR 來調(diào)節(jié)腸道功能，成為調(diào)節(jié)代謝異常和免疫的重要因素。在發(fā)炎期間，SCFA 通過激活GPR43 刺激中性粒細(xì)胞遷移并調(diào)節(jié)其活性氧的產(chǎn)生和吞噬作用[24,44]。在對野生型（WT）小鼠和Gpr43-/-小鼠加入葡聚糖硫酸鈉（DSS）后，Gpr43-/-小鼠在模型中表現(xiàn)出炎癥加劇、炎性因子表達(dá)增強，對2 種小鼠分別灌服乙酸后，WT 小鼠癥狀明顯減輕，而Gpr43-/-小鼠沒有發(fā)生變化，表明乙酸需要通過GPR43 才可以影響抗炎，隨后證實了是乙酸與結(jié)腸上皮細(xì)胞的GPR43結(jié)合后刺激K+流出和超極化，導(dǎo)致NLRP3 炎性體活化，從而誘導(dǎo)IL-18 釋放[45]。丁酸也同樣可以激活GPR109A，通過相同的機制來誘導(dǎo)IL-18 釋放[46-47]。SCFA也可以通過激活GPR41 和GPR43，從而抑制IL-6 和IL-8 的產(chǎn)生[48]。在IECs 模型中，丁酸通過體外結(jié)腸細(xì)胞系和離體小鼠結(jié)腸中的GPR109A 抑制脂多糖（LPS）誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子-核因子κB（NF-κB）活化，且正常結(jié)腸中GPR109A 的激活不僅會阻斷LPS 誘導(dǎo)的NF-κB激活，還可以影響NF-κB 的基礎(chǔ)活性[49]。這些結(jié)果證實了SCFA 激活GPR109A 和GPR43 在控制炎癥和促進(jìn)結(jié)腸上皮修復(fù)中的重要作用。SCFA 通過GPCR 誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（Treg）增殖。研究發(fā)現(xiàn)，給GF 小鼠提供乙酸鹽和丙酸鹽后，激活GPR43 上調(diào)叉頭轉(zhuǎn)錄因子3（Foxp3）表達(dá)從而刺激結(jié)腸Treg 的擴增，從而增加IL-10 的表達(dá)[50]。丁酸也可以通過GPR109A 誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞（DC）調(diào)節(jié)Treg 擴增，增加IL-10的表達(dá)[33,47]，而乙酸可以誘導(dǎo)DC 上GPR41 促進(jìn)腸道產(chǎn)生IgA[51]。

2.3.2 SCFA 作為HDAC 抑制劑 酶控制的組蛋白翻譯后修飾（HPTM）是基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵，其中最重要的是由乙?；D(zhuǎn)移酶（HATs）和脫乙?；福℉DACs）控制的組蛋白乙酰化[52]。HDAC 的過表達(dá)會導(dǎo)致組蛋白乙酰化減少，從而抑制基因表達(dá)[53]。SCFA 除了在細(xì)胞外作為信號分子產(chǎn)生抗炎作用外，還可通過轉(zhuǎn)運蛋白進(jìn)入細(xì)胞后作為HDAC 抑制劑，從而參與調(diào)節(jié)促進(jìn)許多疾病發(fā)病機理的基因的表達(dá)[25]。其中丁酸被認(rèn)為是SCFA 中最有效的HDAC 抑制劑，而與之前報道不同的是，R-β-羥基丁酸酯未顯示出易于檢測的HDAC 抑制劑活性，并且對內(nèi)皮細(xì)胞具有輕微的促炎作用[54]。

SCFA 可能通過抑制HDAC 作用于單核血細(xì)胞和中性粒細(xì)胞，從而減少這些細(xì)胞產(chǎn)生的促炎性腫瘤壞死因子（TNF），并導(dǎo)致NF-κB 失活，下調(diào)IL-2、IL-6、IL-8 等促炎細(xì)胞因子的表達(dá)[48,55-58]。其中，丁酸通過抑制HDAC3 使單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞分化，增強其內(nèi)在抗菌功能[59]。并且SCFA 通過HDAC 抑制增加組蛋白乙酰化，調(diào)節(jié)哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR），通過增加mTOR 復(fù)合物的活性，增強葡萄糖氧化并生成乙酰輔酶A 來誘導(dǎo)T 細(xì)胞和調(diào)節(jié)性B 細(xì)胞（Bregs）中的IL-10 表達(dá)，并且mTOR-S6K 激酶途徑對于T 淋巴細(xì)胞的分化至關(guān)重要[60-61]。因此，不同于GPR41 或GPR43 途徑，SCFA 也可以通過抑制HDAC 促進(jìn)T 淋巴細(xì)胞分化為效應(yīng)T 細(xì)胞（Te）和Treg[27]。HDACs 可以通過影響Foxp3的乙?；?，導(dǎo)致Foxp3降解，所以SCFA 也可以通過抑制HDAC 增加Treg 細(xì)胞中Foxp3基因表達(dá)，防止蛋白酶體降解以及增強Foxp3的穩(wěn)定性和活性，從而抑制炎癥反應(yīng)[50,62]。另一方面，在鼠模型研究中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxp3的乙酰化促使其與IL-2 啟動子區(qū)域的結(jié)合，從而導(dǎo)致內(nèi)源性IL-2 分泌受到抑制，而IL-2 可以抑制Treg 細(xì)胞產(chǎn)生干擾素-γ（IFN-γ）。同時SCFA 通過HDAC 抑制作用，會導(dǎo)致關(guān)鍵DC 調(diào)節(jié)劑的表達(dá)降低，從而導(dǎo)致DC 發(fā)育的減弱[63-64]。

對于HPTM，除了乙?；?，還有其他翻譯后修飾，如甲基化、丙?；?、巴豆?；?、丁酰化和2-羥基異丁?；萚65-66]。近期研究數(shù)據(jù)表明，組蛋白巴豆?；冉M蛋白乙?；苯哟碳まD(zhuǎn)錄的程度更強[67]，其中，SCFA 對巴豆?；^程至關(guān)重要，有把巴豆酰-CoA 與組蛋白賴氨酸殘基連接起來的作用[68]。另外，對小鼠進(jìn)行抗生素治療后，隨著腸道微生物菌群的耗竭，腸腔和血清SCFA 水平降低，導(dǎo)致HDAC2 在腸道中的表達(dá)增加，并導(dǎo)致組蛋白巴豆?；@著下降[69]。SCFA（主要是丁酸）通過抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞中的HDAC 的去巴豆酰化酶活性來促進(jìn)組蛋白巴豆?；Ｍㄟ^分析鼠類結(jié)腸、大腦、肝臟、脾臟和腎臟組織中的巴豆酰化水平，發(fā)現(xiàn)在腸道中最高，尤其是小腸和結(jié)腸的隱窩部分，在大腦中次之[52]。在檢測丁酸濃度后發(fā)現(xiàn)，其水平在腸道中最高，但在血清中也不低，這可能解釋了不僅可在腸道，而且還在遠(yuǎn)端組織中（如大腦）觀察到巴豆?；?/p>

3 總結(jié)與展望

隨著對SCFA 研究的深入，人們逐漸了解到SCFA對宿主健康的重要性。SCFA 通過直接或間接作用影響著宿主腸道健康，因其具有供能、維持腸道穩(wěn)態(tài)、抗炎和調(diào)節(jié)免疫等作用，所以對抵御腸道疾病有一定的作用。然而，SCFA 的活性機制尚需進(jìn)一步研究。對于機體而言，目前尚不清楚是SCFA 本身還是和細(xì)菌其他代謝物聯(lián)合產(chǎn)生有益作用，因為其他代謝產(chǎn)物也可能具有基本的信號傳導(dǎo)功能，如膽汁酸和氨基酸衍生物等。而對于不同個體，相同的SCFA 濃度卻可能導(dǎo)致腸炎癥減輕或加重2 種不同的結(jié)果，這可能是由于環(huán)境或遺傳背景等原因?qū)е碌?，因此對于SCFA 具體的適宜作用濃度目前還沒有一個標(biāo)準(zhǔn)。對于近期發(fā)現(xiàn)的HPTM（如巴豆?；?，目前對其調(diào)節(jié)和組織特異性功能了解甚少。而SCFA 不僅影響腸道環(huán)境，還能影響遠(yuǎn)端器官。在后續(xù)的研究中需進(jìn)一步了解SCFA 與菌群間的互作、如何調(diào)節(jié)炎癥、是否可以通過調(diào)整飼糧來改善和預(yù)防腸道炎癥。