微生物短链脂肪酸宿主轴全面解析

腔肠动物具有围绕肠道和其他器官的内部体腔，并与多种肠道细菌和其他微生物共同进化，共同称为肠道微生物群。微生物代谢产物有助于宿主的进化适应性，促进宿主与微生物群之间的互利关系。

在宿主微生物代谢轴内，多个细菌基因组可以调节代谢反应，从而导致微生物组和宿主基因组对底物进行组合代谢，例如产生宿主需要的胆汁酸、胆碱和短链脂肪酸（SCFA），今天小维就着重为大家介绍下微生物-短链脂肪酸-宿主轴。

1. 基本介绍：什么是短链脂肪酸

短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）是含1 ～6 个碳原子的有机羧酸，又称挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids,VFA），在低pH环境下能抑制某些细菌的增殖来维持微生物群稳定。SCFAs 主要包含乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、异丁酸、异戊酸和己酸等。

SCFAs浓度随肠道长度变化而变化，人盲肠和近端结肠中SCFAs浓度高（约为120 mmol/L），远端结肠中SCFAs浓度有所下降（约为90 mmol/L），猪近端结肠中SCFAs浓度（70～140 mmol/L）

高于远端结肠（20～70 mmol/L），但这取决于饲粮中纤维的摄入量。肠道内SCFAs浓度主要取决于肠道微生物群组成、饲粮的纤维含量、饲料在肠道内的消化时间以及宿主与微生物的代谢通量。

人体不同组织短链脂肪酸水平

2. 微生物与短链脂肪酸：微生物如何代谢产生短链脂肪酸？

90% SCFAs是由肠道不消化的碳水化合物经细菌发酵而产生，余下部分则是由饮食摄入和蛋白质等代谢产生。短链脂肪酸具体是如何产生的呢？碳水化合物首先被细菌水解并利用，产生中间产物，包括单糖和寡糖分子、乳酸、乙醇、琥珀酸等有机酸。细菌继续发酵中间产物，产生代谢终产物短链脂肪酸。

由于参与丁酸合成的酶（如丁酰辅酶A脱氢酶、丁酰辅酶A转移酶和丁酸激酶）在肠道微生物群中广泛存在，所以能够产生丁酸的细菌有很多，如放线菌、拟杆菌、梭杆菌、变形杆菌、螺旋体和嗜热菌等均是丁酸的生产者。除了丁酸以外，其他SCFAs主要由双歧杆菌等细菌产生。常见产SCFASs细菌包括: 拟杆菌属、梭菌属、双歧杆菌属、真杆菌属、链球菌属、消化链球菌属等。

3. 短链脂肪酸与宿主：短链脂肪酸对宿主生理调控作用

作为肠道微生物菌群产生的非直接营养物质，短链脂肪酸（SCFA）具有重要的生理调控作用，如调控细胞的增殖与分化、细胞凋亡、免疫反应、能量代谢、营养物质吸收和脂类代谢等。丁酸能促进肠道上皮细胞的生长和功能的完善，且对肠道细胞的生长提供能量；丙酸主要被肝脏吸收利用；乙酸大部分进入外周循环，被心肌、骨骼肌和外周组织代谢利用。甲酸也是发酵产物，但很容易被细菌的脱羧酶、氧化还原酶和氢化酶代谢，分解生成肠道中主要的气体成分氢气和二氧化碳。接下来小维通过文章带大家了解微生物-短链脂肪酸-宿主研究。

3.1 动物疾病

宿主肠道与微生物群间的相互作用对维持和实现机体稳态是至关重要的，当肠道内动态平衡紊乱时，宿主就会发生炎症反应，进而引发疾病。因此，肠道健康发育是保障动物生长及发挥潜在生产性能的关键，其中SCFAs扮演着重要角色。

有研究发现在仔猪饲料中添加丁酸钠，显著降低了血清TNF-α和IL-6的水平，降低了肠道NF-κB 的核内功能，同时也改善了肠道菌群，抑制了有害细菌的生长。哺乳动物发生腹水时, 肠道菌群发生紊乱,从而引起肠道中SCFAs浓度降低,肠道黏膜屏障进一步受损, 导致有害菌及脂多糖易位, 进一步加速腹水的产生。因此, 肠道菌群紊乱引起的脂多糖和SCFA含量改变可能在鸡腹水综合征（AS）发生时发挥重要作用。

研究背景：

多种微生物群落分布在人体的各个部位。绝大多数微生物是生活在肠道中的细菌，估计有100万亿，是人体所有体细胞和生殖细胞的10倍。基于目前的16S和宏基因组序列数据，肠道菌群对能量产生和代谢相关的基因高度富集。这些发现表明，微生物群有助于促进宿主从饮食中提取热量的能力，但基于序列的数据通过研究功能的实验来验证。

研究思路：

结果展示：

微生物组调控基因和蛋白差异表达KEGG富集分析

CONV-R小鼠和菌群移植、产生丁酸的细菌定值的GF小鼠细胞中

ATP水平

研究结果：

1. 利用靶向技术发现微生物可以影响结肠组织的能量代谢，通过PCR、质谱以及核磁共振平台，利用转录组、蛋白质组和代谢组联合分析，证明菌群是维持肠细胞能量平衡所需要的。

2. 通过代谢组学发现无菌条件下的结肠细胞能量减少，通过自噬存活;以及丁酸盐可以消除能量紊乱，抑制自噬。

3.2 动物营养

饲料是影响肠道微生物组成的重要因素，一方面，饲粮可为宿主提供营养物质，另一方面，饲粮可作为肠道微生物的发酵底物，调控微生物的生长和繁殖，及其代谢物浓度（SCFA），进而影响肠道健康。丙酸转移到肝脏，通过与肠道脂肪酸受体的相互作用调节糖异生和饱

腹感信号。鸡肠段被新型产生丁酸的细菌定殖，这些细菌可能在营养物质的利用、吸收率和鸡性能方面起着重要作用。饮食对瘤胃微生物及其代谢产物具有显著影响，草饲动物中纤维降解微生物增加升高了宿主可吸收的VFA的产量，膳食不同可影响瘤胃中发酵有害中间体积聚，如乳酸。

瘤胃上皮细胞内SCFA的转运吸收及代谢

文献分享

微生物-代谢组学分析研究膳食淀粉类型对肥育猪结肠微生物组成和

代谢的影响

期刊：Frontiers In Microbiology，IF：4.259，发表时间：2019.05

研究背景：

淀粉是日常饮食的主要能量来源，是人类和单胃动物饮食中较大的一部分。来自不同来源的膳食淀粉以不同的速率和不同程度影响消化和吸收，这取决于淀粉的物理化学性质，同时淀粉降解的速度、程度和部位可能对胃肠系统的生理功能和宿主的肠道健康产生不同的生理影响。越来越多的证据表明，含有较高直链淀粉含量淀粉的日粮可以增加肠道中的远端消化物质量，短链脂肪酸（SCFA）浓度和共生微生物种群，包括双歧杆菌属。SCFAs的增加，尤其是丁酸盐，对维持肠道健康具有许多重要的营养和生理作用。

研究思路：

结果展示：