《科学24小时》
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肠道菌群也有生物钟
2018-05-05 16:03:00人体是人类细胞和各种细菌的共生体。据国际权威学术期刊《细胞》最新研究显示，在一具70千克的标准人体中，约含有30万亿个人类细胞和约39万亿个细菌。虽然细菌的数量比人体细胞多，但是体积极其微小，其总重量只占人体重量的1%～3%。
这些细菌广泛分布于消化道、呼吸道和泌尿系统，以及皮肤、毛发等全身各处，成为人体不可或缺的组成部分。其中，以肠道中的微生物数量最多、种群最丰富，人体大约80%的正常微生物都集中在那里，种类约有500～1000种，它们绝大部分是不需要氧气的厌氧细菌。这些肠道菌群能够帮助机体消化食物、产生特殊的维生素,以及保护机体免于感染，可以说如果没有肠道菌群，人类就无法存活。我们知道，人体每个器官、组织和细胞都有自己的生物钟。最新研究表明，长期与人类共生的肠道菌群不仅拥有自己的生物钟，而且还与人类的生物钟协调一致，甚至可以反作用于人类的生物钟。
2014年，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员收集来自人类和小鼠不同时间段的粪便样本，并分析其中的微生物，发现早上采集样本中的微生物组与在晚上采集的微生物组有很大不同。而且，这些微生物的基因表达、菌群数量等都呈现节律性，因此他们推测人类和小鼠肠道菌群也拥有自己的生物钟。比如，在一天内肠道中乳酸菌数量的扩增和收缩会随着时间的推移，表现出规律性的变化，而且这些肠道菌群的生物钟会与寄生宿主的生物钟保持一致，因此正常的睡眠和饮食习惯是维持肠道菌群节律波动所必需的。一旦宿主生物钟发生紊乱，比如饮食规律改变、频繁环球旅行等，肠道菌群则会失去节律，从而引发宿主肥胖或糖尿病等代谢疾病。
研究人员还将患上时差综合征的小鼠体内的肠道菌群移植到正常小鼠体内，结果这些肠道原本无菌的小鼠也会变得肥胖，而且不能有效控制血糖，出现一些罹患糖尿病的前兆。这项研究成果发表在《细胞》杂志上,该刊与美国的《科学》和英国的《自然》一并被称为科学家最看重的三大顶级学术期刊。
两年之后，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员又发现了一些更为有趣的现象。新的研究不仅进一步证实了人体和小鼠的肠道菌群拥有自己的生物钟，而且这些肠道微生物每天都会在基本固定的时间段，从肠道内膜的一个地方移动几微米到另一个地方，一段时间后又会回到它们原来的位置。研究人员据此推测肠道微生物这样有规律的移动，可以使肠道上皮细胞接触到不同的微生物及其代谢产物，进而影响宿主的生物节律，甚至影响其他器官的节律。研究人员给小鼠施用抗生素，杀死其体内大部分的肠道菌群后，发现经过抗生素的处理，小鼠的肝脏生物节律发生了显著的变化。后研究人员又尝试给小鼠饲喂一种治疗疼痛的药物——乙酰氨基酚，这种药物与其他药物一样，需要肝脏解毒，实验结果显示，在黎明时分给予小鼠过量的乙酰氨基酚所造成的毒性最小，而在黄昏时分则毒性最大。这项研究成果同样发表在《细胞》杂志上。该项实验首次证明了肠道菌群能够改变一个器官的昼夜节律活动，也有助于科学家针对不同疾病、不同药物和不同个体，找到最佳给药方式，从而提高药物利用效率和治疗效果，同时减少药物的毒副作用。
2017年9月，美国德克萨斯大学西南医学中心的研究人员在《科学》杂志上发表论文称，机体肠道微生物可以协同机体的生物钟，共同调节其脂肪摄入和储存过程。之前有报道显示，由于受众多生物钟转录因子的调控，哺乳动物肠道上皮细胞中的基因表达会进行24小时的规律性波动，以指导机体的一些生物代谢过程，其中NFIL3转录因子能够促进小肠上皮细胞对脂肪酸的摄取以及储存。研究人员通过比较正常小鼠、无菌小鼠和NFIL3转录因子敲除的小鼠，发现肠道菌群可以通过分泌物与小肠免疫细胞相互作用，提高NFIL3转录因子的转录，最终促进小肠上皮细胞对脂肪的摄取和储存。
这些新发现让我们更深入地了解了肠道菌群与机体生物钟协调一致的工作机制，同时对夜班工作者和频繁环球旅行的人们为何罹患代谢性疾病的风险较高这一问题作出了科学的解释，从而为科学家干预肥胖、代谢综合征等与生物钟紊乱相关的健康问题提供理论依据。
本文来自《科学24小时》
