徐 磊， 倪 震， 張 纓*

(1)北京體育大學運動人體科學學院， 北京 100084；2)北京體育大學中國運動與健康研究院， 北京 100084)

人類腸道是一個由細菌、古細菌、真核生物以及病毒所構成的復雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，其中多達數(shù)千種不同種類的細菌稱為腸道菌群，其在攝取營養(yǎng)物質(zhì)、合成維生素、調(diào)節(jié)炎癥以及免疫應答等方面扮演著十分重要的角色[1]。它可受到遺傳、環(huán)境壓力、飲食、年齡和運動等因素的影響，并通過其代謝產(chǎn)物與機體的多組織器官產(chǎn)生廣泛的應答效應。有研究證實，腸道菌群可調(diào)控骨骼肌生理功能。缺乏腸道菌群或外源性補充抗生素的小鼠，表現(xiàn)出骨骼肌重量、力量、線粒體功能和有氧運動能力降低[2, 3]。而外源性補充益生菌的小鼠則表現(xiàn)出骨骼肌質(zhì)量、力量和慢肌纖維比例增加[4]，以及外源性補充益生元的老年人呈現(xiàn)出握力的提升[5]。

1 腸道菌群代謝物短鏈脂肪酸概述

短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)是腸道菌群的重要代謝物之一，它作為信號分子可對宿主的一系列活動產(chǎn)生影響，也是調(diào)控骨骼肌生理功能的關鍵因子[6]。雖然腸道菌群的類型和功能存在差異，但這些菌群均能在腸腔中以不易消化的食物成分為底物，發(fā)酵產(chǎn)生代謝產(chǎn)物。而這些代謝產(chǎn)物通常是一些只能通過外源性途徑少量獲得的營養(yǎng)物質(zhì)[7]。例如，盲腸和結腸中的腸道菌群以小腸不易消化吸收的富含β-糖苷鍵的膳食纖維為底物，經(jīng)發(fā)酵最終產(chǎn)生以乙酸、丙酸、丁酸為主的短鏈脂肪酸[8]。腸腔內(nèi)短鏈脂肪酸濃度約為100 mmol/L，乙酸、丙酸、丁酸三者所占比值約為60%、25%和15%。其中，短鏈脂肪酸約98%以陰離子形式存在，其余以未解離短鏈脂肪酸 (undissociated acid, HSCFA)的形式存在[9]。結腸上皮細胞可通過單純擴散和轉運蛋白質(zhì)，分別將腸腔內(nèi)的HSCFA和短鏈脂肪酸-吸收入血(Fig.1)。

Fig.1 Transmembrane transport of SCFA from lumen to blood via the colonic epithelium (A) Apical membrane uptake of SCFA involves in diffusion of the undissociated acid (HSCFA). Among them, butyrate as the substrate of catabolism provides energy for colonic epithelium, and the rest of HSCFA is rapidly dissociated to the form of anion (SCFA-) and proton (H+). (B) MCT1 and SMCT1 expressed in apical membrane of colonic epithelium mediate SCFA- efflux from lumen to cytoplasm. All mechanisms lead to cytosolic acidification with stimulation of Na+/H+ exchange via NHE1 which expressed in apical and basolateral membrane. In basolateral membrane, 3Na+ leaves via the Na+/ K+-ATPase with recirculation of 2K+. Then, 3Na+ efflux drives the transport of 3SCFA- through volume-regulated anion channel to blood. (C) When cytosolic or luminal alkaline buffering is inadequate, AE1/2, DRA and MCT1/4 in basolateral and apical membrane mediate HCO3- influx from blood to cytoplasm or lumen, and SCFA- with H+ efflux from cytoplasm or lumen to blood

腸腔內(nèi)的HSCFA經(jīng)單純擴散入胞質(zhì)后，其中的丁酸可經(jīng)氧化分解代謝為結腸上皮細胞提供能量。剩余的其他HSCFA迅速解離為短鏈脂肪酸-和H+(Fig.1A)。位于上皮細胞頂膜的單羧酸轉運蛋白1(monocarboxylate transporter 1, MCT1)和鈉離子偶聯(lián)單羧酸轉運蛋白1(sodium-coupled monocarboxylate transporter 1, SMCT1)可將腸腔內(nèi)SCFA-、Na+、H+轉運至細胞質(zhì)。同時，為使胞質(zhì)不被進一步酸化，頂膜和基底膜上的鈉氫離子交換蛋白1(sodium/hydrogen exchanger 1, NHE1)將H+排出細胞質(zhì)。而胞質(zhì)中的3個Na+則由基底膜的鈉鉀泵泵出胞質(zhì)，K+則通過基底膜的鉀離子通道和鈉鉀泵在胞質(zhì)和基底膜間進行循環(huán)。以保持胞質(zhì)內(nèi)的電荷平衡，胞質(zhì)中的3個SCFA-也經(jīng)基底膜的體積調(diào)節(jié)性陰離子通道(volume-regulated anion channel, VRAC)出胞質(zhì)(Fig.1B)。HCO3-可通過基底膜陰離子交換蛋白1/2(anion exchanger 1/2, AE1/2)、MCT1/4和頂膜的腺瘤下調(diào)因子(downregulated in adenoma, DRA)、MCT1，分別被排入胞質(zhì)內(nèi)和腸腔，以補充堿性緩沖離子HCO3-的不足，同時H+和SCFA-被排出入血(Fig.1C)[9, 10]。

由盲腸、升結腸和橫結腸內(nèi)菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可進入腸系膜上靜脈；而降結腸、乙狀結腸內(nèi)菌群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸則進入腸系膜下靜脈，它們可共同匯入門靜脈至肝。短鏈脂肪酸中約30%～50%的丙酸在肝作為糖異生底物，約70%的乙酸在肝作為合成膽固醇和長鏈脂肪酸的底物[11, 12]，剩余的短鏈脂肪酸以游離脂肪酸的形式經(jīng)肝靜脈進入外周循環(huán)。因此，腸道菌群來源的短鏈脂肪酸是腸道上皮細胞氧化分解和肝合成代謝的重要底物。另外，新近研究發(fā)現(xiàn)[8, 13]，在各組織器官細胞膜表面存在能與短鏈脂肪酸特異性結合的受體，即G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein coupled receptor, GPCR)，例如GPR43、GPR41和GPR109A等。腸道菌群來源的短鏈脂肪酸可作為信號分子調(diào)控宿主組織器官的生理活動[8, 13]。骨骼肌作為機體最大的組織器官，其細胞膜表面存在豐富的GPR43和GPR41[14, 15]，且外源性補充腸道菌群來源的短鏈脂肪酸，可以部分逆轉無菌小鼠骨骼肌質(zhì)量與運動能力低下[2]。

2 運動對產(chǎn)生短鏈脂肪酸的腸道菌群的影響

運動是影響腸道菌群的一個獨立因素[16]，其對產(chǎn)生短鏈脂肪酸的腸道菌群組分的豐度和調(diào)控短鏈脂肪酸產(chǎn)生的相關基因表達有十分重要的影響。

2.1 急性運動

急性運動對產(chǎn)生短鏈脂肪酸的腸道菌群組分豐度有著顯著的影響。運動員參加跨洋賽艇比賽后，大便菌群中Dorealongicatena, 人羅斯拜瑞氏菌(Roseburiahominis)和Subdoligranulum的豐度顯著增加，其中R.hominis和Subdoligranulum能以膳食纖維為底物發(fā)酵產(chǎn)生丁酸[17]。此外，急性運動對調(diào)控短鏈脂肪酸產(chǎn)生的相關基因表達也有著顯著的影響。對完成馬拉松的職業(yè)運動員、訓練后的精英馬拉松運動員以及奧運會賽艇運動員的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，他們大便中韋榮氏球菌屬(Veillonella)的相對豐度均顯著增加，且運動后菌群中參與調(diào)控乳酸轉變?yōu)楸岬募谆Ｍ飞匣虻南鄬扛遊18]。

2.2 長期運動鍛煉

長期運動鍛煉同樣影響著產(chǎn)生短鏈脂肪酸的腸道菌群組分的豐度，以及參與調(diào)控短鏈脂肪酸產(chǎn)生的相關基因表達。久坐超重女性在經(jīng)過6周(3次/周、每次40～60 min、中低強度)的功率自行車訓練后，其糞便中疣微菌門(Verrucomicrobia)、疣微菌科(Verrucomicrobiaceae)、艾克曼菌屬(Akkermansia)和多爾氏菌屬(Dorea)相對豐度增加，其中艾克曼菌屬和多爾氏菌屬能以膳食纖維為底物發(fā)酵產(chǎn)生丁酸[19]。中年胰島素抵抗病人在分別經(jīng)過2周間歇沖刺訓練(3次/周、每次4～6組、每組30 s全力功率自行車、組間休息4 min)和中等強度耐力訓練(3次/周、每次40～60 min、60%最大攝氧量強度的功率自行車)后，間歇沖刺訓練組糞便中的毛螺菌屬(Lachnospira)相對豐度增加，而中等強度耐力訓練組糞便中的韋榮氏球菌屬和棲糞桿菌屬(Faecalibacterium)相對豐度增加，其中韋榮氏球菌屬能通過甲基丙二酰通路將乳酸轉變?yōu)楸醄20]。未服藥的超重糖尿病前期男性病人經(jīng)過12周(3次/周、每次70 min)有氧聯(lián)合抗阻訓練后，研究人員分析了穩(wěn)態(tài)模型評估的胰島素抵抗指數(shù)(homeostatic model assessment of insulin resistance, HOMA-IR)顯著降低的病人的糞便，發(fā)現(xiàn)運動不僅使這些病人糞便中的乙酸、丙酸、丁酸以及總短鏈脂肪酸含量增加，且能增加以膳食纖維為底物發(fā)酵產(chǎn)生丁酸的Lanchospiraceaebacterium的相對豐度，以及參與調(diào)控經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生丙酸的基因(K01754、K13992、K00245)的相對含量[21]。此外，久坐人群按照BMI分為Lean和Obesity組，兩組均經(jīng)過6周(3次/周、每次30～60 min、運動強度為60%～70%的靜息心率、功率自行車或者跑步機)有氧耐力訓練，其糞便中的乙酸、丙酸和丁酸含量增加，且能增加以膳食纖維為底物發(fā)酵產(chǎn)生丁酸的羅氏菌屬(Roseburia)、毛螺菌屬(Lachnospira)、梭菌屬(Clostridium)、棲糞桿菌屬(Faecalibacterium)、fLachnospiraceae的豐度和參與調(diào)控經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生丙酸和丁酸的甲基丙二酰輔酶A脫羧酶(methylmalonyl-CoA decarboxylase, mmdA)，以及丁酰COA:乙酸COA轉移酶基因(butyryl-CoA : acetate CoA-transferase, BcoAT)的相對含量[22]。

持續(xù)的運動鍛煉刺激，對保持產(chǎn)生短鏈脂肪酸的腸道菌群豐度和調(diào)控產(chǎn)生短鏈脂肪酸的相關基因表達水平有重要作用。若經(jīng)6周有氧耐力訓練后的受試者，重新回歸久坐生活6周后，其大便中丙酸和丁酸含量、產(chǎn)生丁酸的菌群豐度、mmdA和BCoAT基因的相對含量均又回到基線水平[22]。然而，參加完跨洋賽艇比賽的運動員繼續(xù)3個月訓練后，大便中能以膳食纖維為底物發(fā)酵產(chǎn)生丁酸的菌群豐度依舊保持在高于基線水平[17]，表明這與賽后運動員持續(xù)的運動鍛煉密切相關。

3 運動介導腸道菌群代謝物短鏈脂肪酸對骨骼肌代謝調(diào)控機制

3.1 SCFA對骨骼肌糖原合成的調(diào)控

大量體內(nèi)外研究表明，短鏈脂肪酸能增加骨骼肌糖原含量[23-25]。已有研究報道，短鏈脂肪酸可通過與結腸的內(nèi)分泌細胞(L細胞)膜表面的GPR43和GPR41結合，促使L細胞釋放胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide 1, GLP-1)[26]。研究已發(fā)現(xiàn)，靜脈注射或直腸注射短鏈脂肪酸——乙酸使胰島素抵抗病人血漿GLP-1含量顯著性地高于生理鹽水組[27]，而其并不能使GPR43或GPR41基因敲除鼠結腸細胞的GLP-1分泌增加[28]。進而，GLP-1可與胰島的B、D細胞膜上GLP-1受體(glucagon-like peptide 1 receptor, GLP-1R)結合，分別促進胰島素與生長抑素分泌。而生長抑素則可與胰島A細胞膜上生長抑素受體2(somatostatin receptor 2, SSTR2)結合，反饋性地抑制胰高血糖素合成分泌[29]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，給特異性敲除胰島B細胞GLP-1受體的小鼠靜脈注射GLP-1，該鼠則無法分泌胰島素[30]。

短鏈脂肪酸還能直接增強骨骼肌的胰島素敏感性。組蛋白乙酰轉移酶(histone acetyltransferase，HAT)和組蛋白去乙?；?histone deacetylase, HDAC)分別具有對組蛋白乙酰化和去乙?；饔?，從而使組蛋白與DNA的結合處于松散或緊密狀態(tài)，以此可調(diào)控基因的轉錄[31]。研究發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸可激活HAT或抑制HDAC以調(diào)控基因轉錄[8]。在無胰島素刺激下，丁酸能在分化的棕櫚酸誘導的胰島素抵抗的L6細胞中，增強胰島素受體底物1(insulin receptor substrate 1, IRS1)基因轉錄起始位點附近的組蛋白H3乙?；?，并且顯著增加IRS1 mRNA和蛋白質(zhì)表達水平。但蛋白質(zhì)激酶B(protein kinase B, PKB/AKT)磷酸化、葡萄糖轉運體4(glucose transporter 4, GLUT4)和糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β, GSK3β)磷酸化水平未見變化；而在丁酸與胰島素共孵育的情況下，p-IRS1、p-AKT、GLUT4和p-GSK3β的蛋白質(zhì)水平均顯著增加[32]。另外，給糖尿病大鼠注射乙酸(5.2 mg、5天/周、6個月)后，其骨骼肌GLUT4 mRNA和蛋白質(zhì)，以及調(diào)控GLUT4轉錄的Krüppel樣因子15(Krüppel-like factor 15, KLF15)表達水平顯著高于對照組[33]。

由上可知，短鏈脂肪酸對骨骼肌糖原合成調(diào)控，可能是通過短鏈脂肪酸促進結腸L細胞分泌GLP-1，間接使胰島B細胞合成分泌胰島素增加，以及短鏈脂肪酸通過促進IRS1基因轉錄起始位點附近組蛋白乙酰化水平，增強其轉錄活性，提高骨骼肌的胰島素敏感性，從而增加骨骼肌攝取葡萄糖和合成糖原。

3.2 SCFA對骨骼肌脂代謝的調(diào)控

大量體內(nèi)外研究已經(jīng)證明，短鏈脂肪酸可激活腺苷酸活化蛋白質(zhì)激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)[34-37]，AMPK激活可促進骨骼肌中的脂肪分解代謝和抑制合成代謝。首先，AMPK活化可促使骨骼肌胞膜上脂肪酸轉位酶(fatty acid translocase, FAT/CD36)表達增加，進而促使脂肪酸轉運至胞質(zhì)[38]。經(jīng)乙酸孵育(0.5 mmol/L、24 h或48 h)分化為肌管的L6細胞呈現(xiàn)脂肪酸攝取顯著增加[35]，且兔在注射乙酸(2 g/kg、4 d)后，其骨骼肌中CD36的mRNA水平顯著高于對照組[39]。其次，AMPK活化后提高骨骼肌脂肪酶活性，促進肌肉細胞內(nèi)的甘油三酯分解[40]。有文獻報道，高脂飼養(yǎng)的C57BL/6J小鼠在灌胃丁酸(80 mg/d，10 d)后，其骨骼肌內(nèi)的甘油三酯顯著降低[36]，以及標準飲食飼養(yǎng)的C57BL/6J小鼠在灌胃丁酸(5%W/W、10個月)后，其骨骼肌內(nèi)的脂肪含量也顯著降低[41]。兔在注射乙酸(2 g/kg、4 d)后，骨骼肌中負責水解甘油三酯的激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase, HSL)和脂蛋白脂肪酶(lipoprteinlipase, LPL)的mRNA水平顯著高于對照組[39]。此外，AMPK激活后可磷酸化乙酰輔酶A羧化酶(Acetyl CoA carboxylase, ACC)，抑制催化生成丙二酰輔酶A的ACC活性，從而一方面降低飽和脂肪酸的合成；另一方面消除其對肉堿棕櫚酰轉移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1, CPT1)活性的抑制作用，進而增加脂肪酸轉運至線粒體進行β-氧化[38, 40]。經(jīng)乙酸干預(0.5 mmol/L、10 min)分化為肌管的L6細胞，其p-AMPK和p-ACC的蛋白質(zhì)水平均高于對照組[35]。C57BL/6小鼠在灌胃乙酸(10 mL/kg、8周)后，骨骼肌中ACCmRNA水平顯著低于對照組，而CPT1mRNA水平顯著高于對照組[37]。

3.3 SCFA對骨骼肌線粒體生物發(fā)生調(diào)控

過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1, PGC-1α)是線粒體生物發(fā)生的重要調(diào)控因子，與能量代謝關系密切。AMPK激活可磷酸化轉錄共刺激因子--- PGC-1α，促使其入核激活核呼吸因子1/2(nuclear respiratory factor 1/2, NRF1/2)。進而，NRF1/2可與線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A, TFAM)基因上的啟動子結合，并促進其轉錄。TFAM調(diào)控線粒體DNA的復制、轉錄和翻譯，影響線粒體的生物發(fā)生[42]。此外，活化的AMPK還能通過磷酸化轉錄因子EB(transcription factor EB, TFEB)，促使其入核與PGC-1α基因的啟動子結合，調(diào)節(jié)對PGC-1α轉錄活性，促進其表達[40, 43]。體內(nèi)外研究已表明，短鏈脂肪酸能顯著增加骨骼肌組織或肌細胞內(nèi)p-AMPK、PGC-1α和TFAM的mRNA及蛋白質(zhì)表達水平[34-37, 41]。

3.4 運動介導腸道菌群代謝產(chǎn)物SCFA對骨骼肌代謝調(diào)控機制

運動可使產(chǎn)生短鏈脂肪酸的腸道菌群組分的豐度提高，并參與調(diào)控短鏈脂肪酸生成的相關基因表達增加，實現(xiàn)腸道中短鏈脂肪酸含量的上調(diào)。短鏈脂肪酸促使結腸L細胞合成分泌的GLP-1到外周，進而GLP-1作用于胰島B細胞增強胰島素合成分泌，直接調(diào)節(jié)骨骼肌攝取葡萄糖與合成糖原。而外周的短鏈脂肪酸還會直接作用于骨骼肌，通過提高骨骼肌IRS1基因轉錄起始位點附近的組蛋白乙酰化水平，增強骨骼肌的胰島素敏感性。同時，短鏈脂肪酸通過激活AMPK促進骨骼肌的脂肪酸攝取、脂肪分解代謝和線粒體生物發(fā)生，抑制脂肪合成代謝(Fig.2)。因此，運動可能通過介導短鏈脂肪酸調(diào)控骨骼肌代謝和提升其生理功能，進而增強機體的運動耐力。

Fig.2 The possible mechanism of exercise regulating skeletal muscle metabolism through gut microbial metabolite SCFA Exercise can increase the abundance of SCFA-producing gut microbiota and the expression of related genes involved in the regulation of SCFA production, so as to increase the content of SCFA in the gut lumen. SCFA promotes the synthesis and secretion of GLP-1 by colonic L cells , and then GLP-1 coming to the peripheral circulation acts on islet B cells to enhance insulin synthesis and secretion, directly regulating skeletal muscle glucose uptake and glycogen synthesis. After liver anabolism, the residual SCFA can directly act on skeletal muscle and enhance insulin sensitivity of skeletal muscle by increasing histone acetylation level on chromatin in proximity of the Irs1transcriptional start site. At the same time, SCFA can promote fatty acid uptake, lipolysis, lipid β-oxidation and mitochondrial biogenesis by activating AMPK, and inhibit lipid anabolism

4 問題和展望

本文全面綜述了運動、腸道菌群代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸與骨骼肌代謝的最新研究進展。由此發(fā)現(xiàn)，短鏈脂肪酸是通過與胰島、肝的聯(lián)動效應影響骨骼肌代謝的重要調(diào)控因子。該綜述以腸道菌群來源的短鏈脂肪酸為切入點，多視角地探討了運動、腸道菌群來源的短鏈脂肪酸與骨骼肌代謝之間的關系，為闡明骨骼肌運動適應的新機制提供理論依據(jù)。

目前，對于運動、腸道菌群代謝物短鏈脂肪酸與骨骼肌代謝之間的研究仍存在諸多亟待解決的問題：(1)短鏈脂肪酸通過何種跨膜轉運的方式進入腸系膜靜脈？(2)進入外周的短鏈脂肪酸是否還與其他重要器官產(chǎn)生聯(lián)動效應間接調(diào)控骨骼肌代謝？(3)進入外周的短鏈脂肪酸直接調(diào)控骨骼肌代謝的機制仍需完善。此外，目前研究對象主要集中于腸道菌群。那么，運動能否對腸道中的古細菌、真核生物以及病毒的組份和代謝產(chǎn)物產(chǎn)生影響？以及這些微生物的代謝產(chǎn)物能否到達外周來調(diào)控骨骼肌生理功能？到達外周的代謝物如何調(diào)控骨骼肌代謝？隨著微生物組學技術的日漸成熟，以及悉生或無菌動物的廣泛應用，我們相信對上述問題的探究將為運動、短鏈脂肪酸或其他腸道微生物代謝產(chǎn)物與骨骼肌代謝之間關系的研究提供新的視角，也將進一步促進運動生理、微生物學與代謝組學多學科的交叉融合研究。