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Nature子刊 | 短鏈脂肪酸在微生物-腸-腦通訊中的作用(綜述)

分類:
阿趣動態
發布時間:
2019/06/28 14:13
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代謝組學
 
比利時學者Kristin Verbeke等人于2019年5月23日在《Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology》(IF=23.57)上發表題目為《The role of short-chain fatty acids in microbiota–gut–brain communication》的綜述。該研究回顧了微生物群靶向干預對心理功能的影響以及其中SCFA信號傳導的中介作用。此外,還討論了探究SCFAs與心理生物學過程之間關系的文獻,最后,概述了未來的研究方向,以促進探究SCFAs對心理功能的影響。
 
摘要
 
短鏈脂肪酸(SCFAs)是胃腸道中發酵膳食纖維的細菌產生的主要代謝產物,據推測其在微生物-腸道-腦軸串擾中具有關鍵作用。然而,SCFAs可能影響心理功能的途徑,包括情感和認知過程及其神經基礎,尚未完全闡明。此外,直接探索SCFAs作為微生物靶向干預對情感和認知功能的影響的研究很少,特別是在人類中。
 
本綜述總結了SCFAs直接或間接介導微生物-腸-腦相互作用的潛力的現有知識。描述了SCFAs對細胞系統的影響及其與腸-腦信號通路的相互作用,包括免疫、內分泌、神經和體液途徑?;菇致垡嬪?、益生菌和飲食等微生物靶向干預措施對心理功能的影響以及SCFA信號傳導的推定中介作用,以及SCFAs與心理生物學過程之間的關系。最后,概述了促進直接探究SCFAs對心理功能影響的未來方向。
 
文章重點
 
1. 推測短鏈脂肪酸(SCFA)在微生物群-腸-腦軸串擾中具有中介作用。
 
2. SCFAs可能通過與G蛋白偶聯受體或組蛋白脫乙酰酶的相互作用影響心理功能,并通過直接的體液作用、間接激素和免疫途徑以及神經途徑對大腦產生影響。
 
3. 飲食干預研究間接暗示SCFAs在認知和情緒中的中介作用。
 
4. 動物研究提供了SCFAs對神經精神障礙和心理功能影響的直接證據,而人類研究稀少,受到方法學限制并提供不一致的結論。
 
5. SCFAs應在飲食干預研究的系統循環中量化,其中對心理功能和精神病理學的影響是感興趣的結果。
 
6. SCFA最終可用作介入物質,用于靶向人類的微生物-腸-腦相互作用。
 
文中主要圖片說明
 
代謝組學
圖1 SCFAs從膳食纖維到體循環的代謝
 
通過結腸中的共生腸細菌發酵膳食纖維產生短鏈脂肪酸(SCFAs),它們通過單羧酸轉運蛋白被結腸細胞快速吸收,被動擴散或通過未知同一性的交換劑與碳酸氫鹽(HCO3-)交換,然后部分氧化成CO2,以ATP的形式為細胞產生能量。未被結腸細胞代謝的SCFAs通過基底外側膜進入肝臟的門靜脈循環,通過氧化為肝細胞提供能量底物。在葡萄糖、膽固醇和脂肪酸的生物合成期間,SCFA也摻入肝細胞中。因此,僅少量結腸產生的SCFA達到全身循環。MCT1,單羧酸轉運蛋白1; SMCT1,鈉依賴性單羧酸轉運蛋白1。
 
代謝組學
圖2 SCFA細胞信號傳導途徑
 
短鏈脂肪酸(SCFAs)可通過游離脂肪酸受體(FFARs)FFAR2和FFAR3,以及G蛋白偶聯受體109A(GPR109A)和嗅覺受體51E2(OR51E2;在小鼠中也被稱為OLFR78)向宿主發信號進而影響微生物群-腸-腦相互作用,一旦被激活,其導致進一步的信號傳導級聯,包括磷脂酶C(PLC)、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酶A2(PLA2)和核因子-κB(NF-κB)途徑(參見表3)。細胞內SCFAs還可以影響組蛋白的乙?;屯巖陰;?,從而促進基因轉錄。該過程通過抑制組蛋白脫乙酰酶(HDAC)的活性,導致更多轉錄活性的染色質,或通過增加組蛋白乙酰轉移酶(HAT)的活性,從而刺激乙?;⑸?。這些過程可以在結腸細胞中發生,但也可能在SCFAs可接近的組織內的每個細胞中發生,或者間接通過FFAR或直接通過單羧酸轉運蛋白(MCT)和鈉依賴性單羧酸轉運蛋白(SMCT)。
 
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圖3 SCFAs可能調節大腦功能的潛在腸道通路
 
可發酵的膳食纖維、益生元和益生菌通過有益的產生SCFAs的細菌的增殖或復合碳水化合物的發酵促進短鏈脂肪酸(SCFAs)的增加。SCFAs可能通過免疫、內分泌、迷走神經和其他體液途徑直接或間接影響腸-腦通訊和腦功能。
 
通過免疫途徑,SCFAs通過激活游離脂肪酸受體(FFAR)或通過抑制組蛋白脫乙酰酶在局部與腸上皮細胞和免疫細胞(例如單核細胞和嗜中性粒細胞)相互作用。反過來,這些過程可以影響腸粘膜免疫和屏障功能。
 
SCFAs還可以通過上調緊密連接蛋白的表達和增加跨上皮電阻(TEER)來增強屏障完整性。
 
SCFAs通過調節白細胞介素的分泌來影響全身炎癥。
 
SCFAs還通過影響小膠質細胞的形態和功能來影響神經炎癥,從而潛在地影響精神障礙的情緒,認知和病理生理學。
 
通過內分泌途徑,SCFA與它們在結腸細胞上的受體的相互作用通過誘導腸道激素如胰高血糖素樣肽1(GLP1)和肽YY(PYY)的分泌,促進通過全身循環或迷走神經通路向大腦間接信號傳導。腸內分泌L細胞。這些荷爾蒙可以反過來影響學習、記憶和情緒。
 
SCFAs可以通過FFAR直接激活迷走神經傳入,從而向大腦發出信號。
 
最后,SCFAs可通過位于內皮細胞上的單羧酸轉運蛋白穿過血腦屏障(BBB),并通過抑制與炎癥反應相關的途徑影響BBB完整性。
 
它們還通過組蛋白乙?;饔眉械鶻諫窬蜃擁乃?,并且可以促進血清素的生物合成。
 
SCFAs與這些腸-腦通路的相互作用可以直接或間接地調節與神經功能、學習、記憶和情緒相關的過程。BDNF,腦源性神經營養因子; GDNF,膠質細胞源性神經營養因子; HPA,下丘腦- 垂體- 腎上腺;神經生長因子,神經生長因子; TH1,T助手1; TH17,T助手17; Treg細胞,調節性T細胞。
 
文章延伸
 
短鏈脂肪酸(SCFAs),主要包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸,是由微生物對未被消化的碳水化合物(少數情況下是蛋白)發酵產生。
 
SCFAs逐漸作為調節飲食、腸道微生物和宿主的信號分子而被人熟知。在腸道中,SCFAs對人腸道健康十分有益,可以改善身體組成、葡萄糖穩態、血脂譜、降低體重和結腸癌風險。SCFAs作為主要的能量底物也可以起到抗炎、抗癌作用。SCFAs會通過各種機制影響慢性疾病,并在維持結腸上皮細胞代謝穩態方面起著重要作用,可以?;そ岢γ庥諭獠可撕Σ⒍越岢膊∮兇徘痹詰幕跋?。
 
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本文綜述部分轉載自微信公眾號:微生態
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