昼夜颠倒，肠道菌群也会吃不消

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倒时差带给你的可能不止是哈欠连天和黑眼圈——以色列的一项最新研究表明，人类和小鼠肠道内的菌群会受到宿主生物钟的影响，宿主生物钟的紊乱会左右肠道细菌的丰度变化，进而提高出现肥胖和代谢问题的风险。研究论文[1]于10月16日发表在期刊《细胞》（Cell）上。

生物钟是将个体生理节律与外部时间联系起来的重要机制。哺乳动物的生物钟由位于下丘脑的视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）的主生物钟（central clock）感知来自环境的光源变化，对其他组织中的外周生物钟（peripheral clock）进行调控，后者进一步调控各种生理过程，并帮助这些过程与周围环境的变化相协调。由于现代生活方式的出现，人类——特别是那些经常要倒班或是跨时区飞行的人群——生物钟受到普遍干扰，因此带来的昼夜节律的紊乱与包括肥胖、糖尿病、心血管疾病在内的一系列疾病的发病风险提高相关。

肠道菌群的昼夜周期性变化

在许多受宿主生物钟调节的生理过程中，肠道菌群都发挥着重要作用。为了探寻宿主昼夜节律与肠道菌群之间的关系，魏茨曼科学研究所的研究者们进行了一系列实验。小鼠被置于12小时亮、12小时暗的“人工昼夜”之中，按照小鼠平时的进食习惯喂养，并在明暗交替的时间点（编者注：在“人工昼夜”中，从黑暗转变到光照的时刻定义为“环境钟”的0点，从光照转变到黑暗的时刻定义为环境钟的12点）以及两段时间的中点（环境钟18点和6点）进行粪便取样。研究发现，小鼠肠道内菌群组成随昼夜变化而变化。在样品里的所有细菌种类中，15%以上的细菌的丰度会呈周期性起伏变化——这些细菌属于梭菌目（Clostridiales）、乳杆菌目（Lactobacillales）以及拟杆菌目（Bacteroidales），而它们占到了肠道细菌总数的约60%。

小鼠粪便菌群在48小时内的成分变化。图片来源：研究论文。

随后，研究者对粪便样品进行了宏基因组测序，并对基因所属的通路进行了分析，发现表达呈现昼夜周期性变化的基因参与了小鼠的核酸代谢、氨基酸代谢以及胃黏液降解等过程，这意味着肠道菌群的周期性变化不仅表现在组成上，也表现在功能上。有趣的是，这些功能在“白天”和“夜晚”的分布并不相同。例如，涉及能量代谢、DNA修复、细胞生长的过程更多出现在夜间；而解毒、细胞运动性以及对环境的感知等过程则更多出现在白天。

为了了解肠道菌群组分的昼夜起伏从何而来，研究者们将目光转移到了宿主身上。Period基因（Per）小鼠的核心生物钟基因之一，一旦这些基因不能被表达，小鼠的昼夜节律就会丧失。研究者构建了Per1和Per2双敲除小鼠（Per1/2-/-），并对这种失去了昼夜节律的小鼠的粪便进行检测。结果显示，Per1/2-/-小鼠的肠道菌群几乎完全失去了昼夜周期性变化，肠道菌群丰度只呈现随机的起伏；肠道菌群所涉及的大部分功能几乎不呈现昼夜变化。这说明，肠道菌群在组成和功能上的昼夜周期性变化的形成，依赖于宿主生物钟的正常运作。

规律饮食很重要

动物的摄食受到生物钟的调控。反过来，进食时间在校准外周生物钟方面也起着关键作用。研究者发现，由于正常小鼠是夜间活动的动物，它们倾向于在夜间进食，Per1/2-/-小鼠则不论时候，全天开吃。有鉴于此，研究者们假设，小鼠肠道内菌群的波动可能与摄食模式相关。他们设计了一个定点喂食的实验，将正常小鼠分为两组，分别仅在“白天”或“夜晚”喂食。

这样喂食2周后，研究者每6小时采集一次小鼠粪便菌群样本，连续采集2天。他们发现，只能在“夜晚”进食的小鼠，肠道菌群的变化与随意进食的正常小鼠的菌群相似，反映出夜行性啮齿类的进食习惯。相比之下，只能在“白天”进食的小鼠，肠道菌群的周期性变化发生了明显的相移，峰值期和低值期几乎都移动了12个小时，并使得某些细菌（如Candidatus Arthromitus ）表现出更强的昼夜周期性变化。研究者在Per1/2-/-小鼠进行了相同的实验，发现尽管小鼠的昼夜节律被破坏，但规律的摄食能让小鼠肠道菌群的昼夜周期性变化重新建立起来。这些结果提示，肠道菌群的变化会直接受到摄食时间的影响。

在“夜晚”喂食和在“白天”喂食时，小鼠肠道菌群中特定细菌相对丰度的变化。左图：正常小鼠粪便中的罗伊乳杆菌；中图：正常小鼠粪便中的分节丝状杆菌；右图：Per1/2-/-小鼠粪便内的罗伊乳杆菌。图片来源：研究论文。

按时作息不可少

研究者们在小鼠身上模拟人的时差反应，观察肠道菌群所受的影响。小鼠们每3天将遭遇一次“倒时差”——过了3天正常日子后，第4-6天的“白天”会比前三天提前了8小时，从第7天起又恢复前3天的时间。4周以后，小鼠倒出“时差病”，进食不规律，肠道菌群的昼夜周期性变化也被破坏。“倒时差”实验进行到4个月后，即使喂食正常的食物，有“时差反应”的小鼠还是出现了超重和脂肪量增加的情况。将超重小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠中，后者也出现了超重和葡萄糖耐量降低的现象。这些结果进一步表明，与时差反应相关的代谢问题，与肠道菌群的失调有所关联。

人类时差反应对肠道菌群的影响

随后，研究者们分析了2个人的粪便样品，发现肠道细菌中多达10%的种类会呈现昼夜性的丰度变化，这些细菌所参与的功能也同样存在昼夜差异。例如，能量代谢和蛋白质合成多见于白天，而解毒过程则多见于夜晚——与夜行性的小鼠正好相反。

在时差实验中，研究者们以两个倒时差的人（他们分别从美国中部或西部飞到以色列，时差8-10小时）作为实验对象，分别在他们离开之前（无时差反应）、到达之后一天（经历时差反应）以及到达后2周（已恢复）时收集粪便样品。他们发现，在有时差反应时的粪便样品中，硬壁菌门（Firmicutes）的细菌丰度较高——这类细菌与肥胖和代谢疾病的发生相关。

研究者认为，肠道菌群组成的变化可能是造成人体代谢问题的又一因素。这些结果为开发有针对性的益生菌和抗菌药物疗法提供了借鉴意义。未来的研究需要进一步关注昼夜节律偏差对肠道菌的影响。此外，研究者表示，在研究人类和动物体内微生物组成的时候，也应该考虑肠道菌群的昼夜变化。