微生物學 微生物與免疫學

腸道菌的生理時鐘影響人類生理功能

        我們的生理時鐘 (circadian rhythm),在 24 小時之中不斷地調節著我們的生理功能。如果因日夜作息顛倒或時差等因素導致生理時鐘的失調會影響內分泌系統,進而提高肥胖、心血管疾病和糖尿病的風險。最近的研究發現腸道微生物(gut microbiota)也有自己的生理時鐘,並且與宿主的作息相關,影響著宿主的代謝功能。本篇報導將介紹腸道菌的生理時鐘如何影響著人類的生理功能。

        在 2014 年的研究中 [1], 控制小鼠的日夜作息,並每六小時採集小鼠糞便,發現小鼠腸道微生物中約有 15% 有日夜周期的變化。這些微生物大部分是屬於梭菌目(Clostridiales),乳桿菌目(Lactobacillales),以及擬桿菌目(Bacteroidales),佔腸道微生物數目中約 60%。另外,當剔除控制生理時鐘基因 Per 的小鼠(Per -/- mice)裡的腸道微生物,放到生理時鐘正常的無菌鼠(germ free mice),原本失去日夜週期的腸道微生物,會恢復到正常的週期。

        除了宿主作息影響腸道微生物的生理週期,此篇研究也發現,透過控制小鼠飲食的時間,小鼠的腸道微生物日夜週期也會產生變化。另外,他們透過將長期受時差影響的人體內的腸道微生物放到無菌鼠,造成小鼠的體重上升和血液中葡萄糖濃度上升,隨著時間推移,代謝系統又會恢復正常,顯示腸道微生物的生理時鐘也會影響著宿主的代謝功能。

腸胃道微生物的生理時鐘會透過不同的方式影響宿主的生理功能。(Thaiss and Levy et al. , 2014)

        隨後在 2016 年的研究中 [2],發現腸道微生物會影響宿主腸道的轉錄組振盪(transcriptome oscillations)。透過 RNA 定序比較不同時間點的正常老鼠和用抗生素治療老鼠的結腸組織,發現阻斷了腸道微生物的節律,造成一部分組別失去基因轉錄的節律,一部分組別得到基因轉錄的節律。接著進一步,透過染色質免疫共沉澱(chromatin immunoprecipitation)腸道表皮細胞,並經過次世代定序(next-generation sequencing)以了解調節轉錄振盪的機制。結果顯示腸道微生物是通過影響啟動子(promoter)與增強子(enhancer)的活性改變基因表現的節律。

        最後此篇研究,透過 RNA 定序分析正常老鼠與用抗生素治療老鼠的肝臟組織,得出腸道微生物也會影響到肝臟的轉錄節律。研究還發現用抗生素治療的老鼠或無菌鼠,肝臟藥物代謝的能力會下降,顯示出腸道微生物的生理時鐘影響每天肝臟藥物代謝的功能。

        隨著分子生物學技術的進步,我們更加了解腸道微生物的生理時鐘對於我們生理功能的影響,未來我們或許能透過益生菌或抗生素改善腸道微生物組成,來達到預防或治療生理時鐘失調的相關疾病。另外,我們也能透過了解腸胃道微生物叢生理時鐘,進一步找到最佳投藥時間,並且更積極且有效率的進行治療。

腸道微生物的生理時鐘,不只影響宿主腸道的轉錄、表觀遺傳(epigenetic)和代謝產物,也影響肝臟的解毒功能。(Thaiss and Levy et al. , 2016)

參考文獻:

  1. Thaiss, C., Zeevi, D., Levy, M., Zilberman-Schapira, G., Suez, J., Tengeler, A., … Elinav, E. (2014). Transkingdom Control of Microbiota Diurnal Oscillations Promotes Metabolic Homeostasis. Cell159(3), 514-529. doi:10.1016/j.cell.2014.09.048
  2. Thaiss, C., Levy, M., Korem, T., Dohnalová, L., Shapiro, H., & Jaitin, D. et al. (2016). Microbiota Diurnal Rhythmicity Programs Host Transcriptome Oscillations. Cell167(6), 1495-1510.e12. doi: 10.1016/j.cell.2016.11.003

撰文|林書岑
審稿|林偉強

About the author

林書岑

林書岑

現在正在台大生化科學所就讀碩士班,曾是2016年交大 iGEM 成員。希望藉由 investigator ,認識不同領域的人,拓展各種領域的知識。

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