肠道微生物调控动物肌肉的生长和发育

11-05摘要：栖息于动物肠道中的微生物群与宿主形成稳定的共生关系。

肠道菌群的定植状态、繁殖能力和营养需求受到宿主生理稳态的影响，同时，肠道菌群的组成和多样性随宿主外部和内部环境的改变而发生波动。

此外，肠道菌群通过肠道神经系统和外周循环系统直接或间接参与并调控宿主的信号传递、物质代谢、免疫形成和器官功能。

骨骼肌的生长、发育和代谢很大程度上决定了动物的能量稳态和整体生长性能，是决定动物产肉性状和肉品生产的根本因素。

当前，大量研究表明动物肠道微生物在促进肌肉生长和维持肌肉机能方面发挥重要作用，一些学者提出了“肠——肌轴”的双向信息交流机制。

本文综述了近年来国内外关于消化道微生物参与调控人和动物的肌肉生长和发育、肌肉疾病形成、物质与能量代谢等方面的研究进展，加深和完善关于肠道微生物调控肌肉生长和发育的认识。

近年来，肠道微生物已逐渐成为生命科学领域的研究热点。

哺乳动物胃肠道中栖息着数量庞大、种类繁多的微生物（细菌、真菌、古菌、病毒等），其中绝大多数是细菌。

单胃动物肠道细菌的数量高达1014个，是细胞数量的10倍以上，由500种以上的细菌组成。

仔猪出生后肠道微生物区系迅速发展，出生12 h后结肠中细菌的数量达到109～1010 CFU/g内容物，以厌氧菌和兼性厌氧菌为主，并在断奶以后逐渐形成稳定的肠道菌群。

肠道菌主要分为厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidete）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）和梭杆菌门（Fusobacteria），其中前2类菌门的数量超过全部肠道菌的90％。

在动物的进化过程中，肠道微生物与宿主形成了稳定的共生关系。

微生物长期稳定的寄居在动物消化道内，它们的增殖和繁衍依赖动物机体提供适宜的环境因子和营养源。

肠道菌群的黏附定植、组成变化和代谢活力直接或间接地影响和控制宿主的生长、发育以及各项生命活动。

反之，肠道菌的定植和生长随着宿主动物的年龄、性别、生长环境、饮食营养的不同而发生波动和改变。

病原菌、药物、应激和外部刺激等引起的宿主的急剧生理变化会影响肠道菌群的多样性和稳定性，导致肠道微生态失衡。

1 肠道微生物的重要生理功能当前的研究证实，肠道菌对于宿主的健康生长具有不可估量的重要作用。

除了协助宿主分解和消化进入肠道的各类营养物质（特别是膳食纤维），肠道菌群还能合成和产生多种营养功能物质（如B族维生素和部分功能性氨基酸等）。

一些益生菌能够促进肠上皮黏液的分泌，协助宿主形成肠黏膜保护屏障，抑制外源致病菌群的定植。

细菌产生的代谢物、菌体蛋白、细菌素等经由迷走神经和循环途径参与宿主各种代谢调控与信号传导。

肠道微生态紊乱会引起宿主免疫失衡从而引发机体代谢表型障碍，并诱发多种疾病的发生，如抑郁症、帕金森症和肥胖症等。

通过补充益生菌或益生元来促进优势菌群的繁殖，或者采用菌群移植的方式恢复肠道稳态，能够有效地减少有害菌的数量，恢复或者促进宿主的健康发育。

2 肠道菌群定植稳态影响动物肌肉生长和代谢骨骼肌是动物重要的组织器官，负责机体的运动和平衡，保护内脏器官，同时还是重要的能量储存和消耗器官。

骨骼肌组织可以通过分泌产生多种肌源性细胞因子，如鸢尾素、肌联素、肌肉抑制素和脑源性神经营养因子等，影响和干预其他组织的生理功能。

在畜牧生产中，猪、牛、羊和家禽等动物肌肉组织的生长和功能决定了动物的产肉量和肉品质量。

所以，揭示肠道微生物对动物宿主肌肉生长的影响及作用机制具有重要的经济意义。

基于无菌动物的微生物移植试验整体反映了肠道微生物通过参与机体的物质代谢网络对宿主的生长和代谢表型进行调节，并直接影响到肌肉的生长、发育和代谢调控。

Backhed等试验发现，无菌小鼠的体脂蓄积量比带菌小鼠减少了60％，其葡萄糖耐受度和胰岛素敏感性均大幅度降低。

在无菌小鼠的骨骼肌中，能量稳态相关的调控分子5′-单磷酸腺苷蛋白激酶（adenosine 5′-monophosphateactivated protein kinase,AMPK）和负责线粒体氧化代谢的肉碱棕榈酰转移酶-1（carnitine palmitoyltransferase-1,CPT-1）蛋白都具有更高的表达量和蛋白活性。

此外，无菌小鼠肠道内高水平的空腹诱导脂肪因子（fasting-induced adipose factor,Fiaf）增加了肌肉中过氧化物酶体增殖物受体γ共激活因子1α（peroxisomeproliferators activated receptor gamma coactivator 1 alpha,PGC-lα）蛋白——一种主要的线粒体脂肪氧化调节分子。

这些结果说明无菌小鼠的肌肉组织中脂肪氧化和能量消耗率都高于普通小鼠，而给无菌小鼠的肠道定植细菌后其骨骼肌的能量代谢效率有所减少。

肠道微生物的组成与多样性有助于维持肌肉的正常生长和代谢能力。

以不同的方法改变肠道菌群会直接影响肌肉的生长和功能。

肥胖型的荣昌猪和瘦肉型的约克夏猪肠道微生物区系存在显著差异。

将2种猪的肠道微生物通过粪菌移植方式传递给无菌小鼠后，受体小鼠表现出与供体猪相似的代谢表型。

与灌胃约克夏猪粪便的小鼠相比，灌喂荣昌猪粪便的小鼠体脂重具有增加的趋势，肌肉中的慢肌纤维比例提高，腓肠肌肌纤维直径和横截面积具有减小的趋势，腓肠肌的脂肪合成的能力提高，肌内脂肪增多。

Liu等分别给正常饮食与高脂饮食的小鼠移植多形拟杆菌，结果发现正常饮食小鼠的总脂肪含量减少，肌肉含量增加；而高脂饮食小鼠体重增长速度减慢，肌肉块重量也明显增加。

还有研究表明，给健康的年轻小鼠额外补充植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）TWK10可以增加小鼠肌肉块的大小和运动能力（握力和游泳时间）。

Choi发现细菌形成的胞外囊泡（extracellular vesicles,EVs）参与了高脂饮食造成的小鼠骨骼肌组织的胰岛素抵抗和糖代谢紊乱。

肌肉的强化也会影响到肠道菌群的组成和代谢强度。

适量的运动和锻炼能够明显增强宿主的肠道健康，维持肠道菌群的多样化，增强代谢活力。

这些研究说明肠道菌的定植和状态与肌肉的生长和功能存在密切联系。

肠道菌的改变和波动会带来宿主生理与代谢的整体变化，往往会涉及肌肉组织的变化，包括肌肉生长、纤维转化和代谢调控等不同方面。

3 肠道菌代谢物影响肌肉生长和肌细胞发育进入消化道的营养物质经肠道菌分解和代谢产生的代谢物和次级代谢物，是肠道菌发挥不同生理调控功能的主要作用媒介，如短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）、多不饱和脂肪酸、次级胆汁酸、生物胺、5-羟色胺、吲哚丙酸。

碳水化合物在大肠经微生物发酵后产生大量的乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等SCFAs及其盐类化合物。

SCFAs既可以作为后肠的能量物质，也可以维持肠道屏障功能和调节肠道动力。

此外，SCFAs还可以作为效应分子，经由神经、免疫和循环系统影响大脑、肝脏、肌肉等不同器官的代谢和功能。

丁酸钠是丁酸的化合物，可以治疗衰老小鼠的肌肉萎缩，增加小鼠后肢肌肉质量及活性氧和线粒体水平，减少骨骼肌中脂肪含量。

具体机制可能是：丁酸钠作为一种组氨酸去乙酰化酶抑制剂，不仅能提高骨骼肌细胞中乙酰化水平，还可抑制肌细胞生成素、肌肉特异性环指蛋白1（muscle specific ring finger protein,MuRF1）和肌萎缩蛋白Fbox-1（Atrogin-1）的表达。

它还能降低泛素-蛋白酶体活性，减少神经损伤后的氧化应激，缓解神经压迫导致的肌肉损伤。

除此之外，丙酸等其他SCFAs 也可通过影响糖代谢参与机体的能量代谢，进而影响肌肉的生长发育。

丙酸可作为糖异生的底物激活小鼠肠道的糖异生反应，补饲丙酸能够提高宿主的胰岛素敏感性和葡萄糖耐受量，减轻小鼠的体重。

Han等也发现丙酸能够促进C2C12肌细胞的基础葡萄糖摄取。

此外，肠道损伤和微生态失衡会导致肠道内产生大量的炎症或毒性分子，并通过循环系统影响或损害其他组织的机能，例如革兰氏阴性菌的主要菌体成分脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）和色氨酸降解物硫酸吲哚等。

高脂饮食、应激、药物等刺激引起肠道通透性增强，导致LPS等代谢物大量进入血液循环，引起包括肌肉组织在内的多个组织器官炎症反应和胰岛素信号途径的损伤。

此外，随着宿主动物的衰老，肌肉功能逐渐丧失和肌营养不良也都与肠道微生物群的生态失调以及肠道通透性增加相关——这会促进细菌有害代谢物进入循环系统并引起肌肉组织损伤。

有报道指出，肠道菌群依赖性的代谢物三甲胺-N-氧化物（trimethylamine-N-oxide,TMAO）进入血液循环后诱导宿主β-半乳糖苷酶、P53、P21等衰老标志物表达量上调，增加氧化应激反应，加速动物机体和细胞的衰老。

通过敲除TMAO产生酶——黄素单加氧酶3（flavin-containingmonooxygenase,FMO3）基因，可以显著缓解高脂饮食导致的小鼠体脂增加，增加小鼠的肌肉块重量。

4 肠道菌群影响肌纤维类型转化动物的肌肉由不同类型的肌纤维组成，一般根据其代谢特点可以分为两大类：氧化型纤维（Ⅰ型纤维，慢肌纤维）和酵解型纤维（Ⅱ型纤维，快肌纤维）。

慢肌纤维含有更多的线粒体，通过有氧代谢获得能量；快肌纤维则主要通过糖原酵解获得能量。

随着外部和内部环境因子（运动、营养、药物等）的变化，肌纤维类型的比例会发生变化，进而导致肌肉的功能和代谢类型的转变。

目前的研究证实了肠道菌群的改变会影响肌纤维类型的转变，在Yan等的试验中，肥胖型猪的菌群移植使得无菌小鼠肌肉中肌球蛋白重链7（myosin heavy chain 7,MYH7）基因表达水平升高，肌球蛋白重链4（myosin heavy chain 4,MYH4）基因表达水平降低，导致小鼠慢肌纤维的比例增多而快肌纤维的比例减少。

并且补充植物乳杆菌增强小鼠的运动能力也伴随着肌纤维类型的变化——试验组小鼠腓肠肌中Ⅰ型纤维的比例显著增加。

这很有可能是因为肠道菌的定植和变化通过各类激素和细胞因子引起肌肉组织对能量的利用效率不同造成的。

一些细菌代谢产物也能够直接影响和调控肌纤维类型的转化。

研究表明，补充丁酸盐可以有效促进小鼠骨骼肌中氧化型纤维的生长。

饲粮添加丁酸钠上调了腓肠肌中肌球蛋白重链蛋白（myosin heavy chain, MyHC）Ⅰ和MyHCⅡａ的基因表达水平，增加了肌肉中慢肌纤维标志因子肌红蛋白和肌钙蛋白的含量。

在体外试验中，不同剂量的丁酸钠都能明显上调C2C12肌细胞系中MyHCⅡａ的基因表达水平而下调MyHCⅡｂ的基因表达水平。

除此以外，共轭亚油酸、次级胆汁酸等细菌代谢产物也都能影响肌纤维类型的决定和转化。