动物的消化道内存在着大量的且相对稳定的微生物群落, 它们对于维持动物胃肠道环境的相对稳定以及促进营养物质的消化吸收起着非常重要的作用。目前, 在人、鼠、猪和禽等动物上已证实肠道微生物与宿主体脂沉降密切相关^[1-6]。为揭示肠道微生物影响动物脂肪代谢的原因, 近年来, 国内外学者针对连接肠道微生物与宿主脂肪代谢的媒介开展了诸多探究。血管生成素样蛋白4(Angiopoietin-like protein 4, ANGPTL4)又名PPAR血管生成素相关蛋白(PGAR)和禁食诱导因子(Fasting induced adipose factor, FIAF), 是一种与动物脂肪代谢密切相关的蛋白, 在肠道、脂肪、肌肉和肝脏等多种组织广泛表达^[7-8], 近年来被认为是沟通肠道菌群和宿主脂肪代谢的重要媒介。本文将就ANGPTL4在肠道微生物影响动物脂肪代谢中的作用做一综述, 以期为揭示肠道微生物影响动物脂肪沉积的原因提供依据, 同时也为将来更好解释益生菌和酸化剂等饲料添加剂影响畜禽脂肪沉积、促进畜禽生产性能的现象提供新思路。

1 肠道微生物与宿主脂肪沉积的关系

尽管脂肪沉积主要与宿主的遗传背景、食物摄入以及能量消耗等因素有关, 但是近年来越来越多的研究发现, 肠道微生物同样可以引起宿主脂肪沉积的改变。当把正常鼠的肠道微生物移植到无菌鼠上时, 无菌鼠可在不增加采食量的情况下提高其脂肪量^[9]。此外, 当把胖鼠和瘦鼠的盲肠微生物分别接种到无菌鼠上, 2周后无菌鼠体脂肪均有所增加, 且接种胖鼠盲肠微生物的无菌鼠体脂肪较接种瘦鼠盲肠微生物的无菌鼠高20%^[3]。由此看出, 肠道微生物具有提高鼠脂肪沉积的作用, 且胖鼠比瘦鼠更易脂肪沉积的特性可以通过微生物转移到无菌鼠上。进一步探究肠道微生物与宿主脂肪沉积的关系, 发现ob/ob小鼠远端肠道拟杆菌门相对丰度较同窝(+/+)瘦鼠要低50%, 而厚壁菌门相对丰度则会有相应增加^[1]。同样, 肥胖人士粪便中的厚壁菌门相对丰度较瘦者要高20%, 而拟杆菌门相对丰度较瘦者要低90%, 且拟杆菌门相对丰度的增加与体重降低有关^[2]。从而得出了影响鼠和人脂肪代谢的肠道微生物主要是厚壁菌门和拟杆菌门, 其中厚壁菌门相对丰度与鼠和人脂肪沉积存在正相关关系, 而拟杆菌门相对丰度与鼠和人脂肪沉积存在负相关关系。

众所周知, 畜禽的脂肪沉积将直接影响其生产性能、肉品质、繁殖性能以及健康状况, 探究肠道微生物调节畜禽脂肪沉积对于畜牧业生产具有重要意义。Guo等^[4]通过对比胖和瘦的版纳微型近交系猪肠道厚壁菌门、拟杆菌门以及拟杆菌属的差异, 得出了肥胖可以造成猪拟杆菌门相对丰度降低的结论, 且胖猪粪便中拟杆菌门和属的相对丰度与其体重存在负相关关系。此后, Guo等^[5]又对眉山和长白猪肠道厚壁菌门、拟杆菌门和拟杆菌属相对丰度与脂肪沉积的相关关系进行研究, 得出了拟杆菌门和拟杆菌属相对丰度与猪的背膘厚呈现负线性相关的结论。严鸿林^[10]通过比较不同品种猪肠道菌群结构和骨骼肌脂肪沉积情况, 得出了荣昌猪粪便中厚壁菌门和螺旋体门相对丰度显著高于大白猪, 而拟杆菌门相对丰度显著低于大白猪的结论; 且拟杆菌门相对丰度与骨骼肌肌内脂肪含量存在负相关关系, 螺旋体门、瘤胃球菌属、密螺旋体属与骨骼肌肌内脂肪含量存在正相关关系。因此, 实际生产中可以通过调节动物体肠道微生物的方法来影响脂肪沉积, 进而改善生产性能、肉品质、繁殖性能及健康状况。外源添加益生菌是生产中调节动物肠道微生物最为直接和常见的方式。Angelakis和Raoult^[6]通过给鸡和鸭接种乳酸杆菌发现, 接种乳酸杆菌的鸡和鸭均较未接种者体重有所增加, 且伴随着粪便中的乳酸杆菌、厚壁菌门绝对含量以及厚壁菌门/拟杆菌门增加, 而拟杆菌门绝对含量降低的现象。此外, 本课题组前期也就肠道微生物与鸡脂肪沉积关系进行了一系列研究发现, 日粮中添加丁酸梭菌可以通过改变肉鸡肠道菌群结构(拟杆菌门、乳酸菌等相对丰度)影响脂肪代谢, 在不增加肉鸡腹脂率的前提下定向性提高肉鸡骨骼肌肌内脂肪含量^[11-12], 且Yang等^[13]和Zhang等^[14]也发现有类似的结果。上述研究表明肠道微生物与宿主脂肪沉积间存在着非常密切的关系, 如将其应用于实际生产中将对提高畜禽养殖经济效益非常有利。

2 肠道微生物对宿主ANGPTL4的影响

肠道微生物可以通过直接(与细胞接触)或者间接(代谢物或分泌因子)的方式调节小肠上皮细胞ANGPTL4表达^[15]。

2.1 肠道微生物对宿主ANGPTL4的影响

接种普通小鼠盲肠微生物后的无菌鼠其体内ANGPTL4水平显著降低^[9], 表明肠道微生物具有调节宿主ANGPTL4的作用。然而动物体肠道微生物种类众多, 不同微生物种类、不同微生物添加水平以及作用时间对不同宿主ANGPTL4的影响不尽相同。当多形拟杆菌与猪回肠上皮细胞数目为1:1时, 猪回肠上皮细胞ANGPTL4基因表达即被抑制, 且抑制作用会随多形拟杆菌浓度的增加和作用时间的延长而越加明显^[16]。乳酸菌F19具有提高HCT116、LoVo、HT29和SW480等多种人结肠癌细胞ANGPTL4基因表达和蛋白含量的作用, 且存在剂量和时间效应; 当无菌小鼠饲喂乳酸菌F19两周后, 其血清中ANGPTL4蛋白含量亦有增加的趋势^[17]。粪肠球菌和多行拟杆菌均具有提高人结肠癌细胞ANGPTL4表达的作用, 而大肠杆菌则具有降低HCT116细胞ANGPTL4表达的作用^[15]。此外, 本课题组亦就肠道微生物对宿主ANGPTL4的影响进行了一定研究, 结果发现丁酸梭菌可降低42 d肉鸡回肠和血清ANGPTL4表达^[18], 引起Caco-2细胞ANGPTL4的差异性表达^[19]。由此可以看出, 肠道微生物具有调节宿主ANGPTL4的作用, 不同肠道微生物种类、数量和作用时间等均对宿主ANGPTL4表达有一定影响。

2.2 肠道微生物代谢物对宿主ANGPTL4的影响

很多肠道微生物其代谢物具有调节宿主ANGPTL4的作用, 是肠道微生物发挥调节宿主ANGPTL4作用的有效成分^[20]。乳酸菌F19产生的代谢产物即具有提高人结肠癌细胞ANGPTL4基因表达的作用, 是如上所提及乳酸菌F19提高人结肠癌细胞ANGPTL4表达作用的有效成分之一^[17]。肠道微生物产生的代谢产物主要包括乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等。有研究表明, 生理浓度的乙酸、丙酸和丁酸均可提高人结肠癌细胞ANGPTL4表达^{[8, 15]}。本课题组亦就肠道微生物代谢物对宿主ANGPTL4的影响进行了一定研究, 结果发现丁酸梭菌代谢物可引起Caco-2细胞ANGPTL4的差异性表达, 是如上提及的丁酸梭菌影响Caco-2细胞ANGPTL4表达的有效成分之一, 且主要发挥作用的代谢产物成分是丁酸^[19]。但不同微生物所产生的代谢产物成分不一, 因此并不是所有微生物所产生的代谢产物均对ANGPTL4表达有影响。张丽萍^[16]研究表明, 多形拟杆菌产生的代谢产物对猪回肠上皮细胞ANGPTL4的基因表达无影响, 不是多形拟杆菌抑制猪回肠上皮细胞ANGPTL4表达的有效成分。上述可以看出, 不同肠道微生物代谢物对宿主ANGPTL4影响的效果不尽相同, 然而肠道微生物代谢物乙酸、丙酸、丁酸作用效果相对稳定, 生产中如需调节宿主ANGPTL4表达, 除通过验证过的微生物进行调节外, 通过直接添加微生物代谢物(如乙酸、丙酸和丁酸等)的方式不失为另一好方法, 但过程中需做好包被处理以利于顺利进入动物肠道发挥作用。

2.3 肠道微生物细胞壁成分对宿主ANGPTL4的影响

肠道微生物细胞壁成分主要包括肽聚糖、脂多糖(LPS)和磷壁酸等。其中LPS具有提高鼠心脏、肌肉、脂肪组织、肺、下丘脑、垂体和大脑皮层ANGPTL4表达的作用, 且TLR4信号通路和SIRT1信号通路在其中发挥重要作用^[21-22]。本课题组亦就肠道微生物细胞壁成分对宿主ANGPTL4的影响进行过一定研究, 结果发现丁酸梭菌细菌壁成分可引起Caco-2细胞ANGPTL4的差异性表达, 是如上提及的丁酸梭菌影响Caco-2细胞ANGPTL4表达的另一有效成分^[19], 但具体细胞壁成分还不确定, 有待于进一步深入研究。不同微生物其细胞壁成分不尽相同, 因此对宿主ANGPTL4的影响也存在差异。乳酸菌F19细菌壁成分对人结肠癌细胞ANGPTL4基因表达无影响, 不是如上所提及乳酸菌F19提高人结肠癌细胞ANGPTL4表达作用的有效成分^[17]。关于肠道微生物细胞壁成分对宿主ANGPTL4影响的研究目前较少, 且发挥作用的细胞壁成分有待于进一步确定, 细胞壁有效成分的筛选将有利于克服市面上普遍存在的益生菌活菌抗逆性弱的缺点, 对实际生产具有重要意义。

2.4 PPARγ在肠道微生物调节宿主ANGPTL4合成中的作用

过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)是一种配体激活的核受体转录因子, 主要分布于肠道细胞和脂肪组织, 在肾脏和骨骼肌也有少量表达, 是调控脂质代谢的主要转录因子之一。近年来, 研究学者通过构建PPARγ抑制和激动模型以及运用染色质免疫沉淀(ChIP)的方法就PPARγ在肠道微生物调节宿主ANGPTL4合成中的作用进行研究, 结果发现很多肠道微生物及其代谢产物(如丁酸等)影响宿主ANGPTL4的合成是通过PPARγ介导, 且对于鼠和人而言, PPARγ主要通过结合于ANGPTL4第3内含子上的过氧化物酶体增殖物反应元件上, 进而调节ANGPTL4的转录^{[8, 17, 23-24]}。

3 ANGPTL4在动物脂肪代谢中的作用 3.1 ANGPTL4对动物骨骼肌和脂肪组织脂肪代谢的影响

脂蛋白脂肪酶(LPL)能够催化血液中乳糜微粒(CM)和极低密度脂蛋白(VLDL)所携带的甘油三酯(TG)水解成甘油和脂肪酸, 从而向脂肪组织提供合成TG的原料, 促进脂肪的沉积, 而ANGPTL4的N-端第一个α螺旋结构处有12个高度保守的氨基酸, 其中包括3个极性氨基酸残基:His46、Gln50和Gln53, 能将LPL有活性的二聚体形式转化成无活性的单聚体形式, 从而抑制LPL的活性, 妨碍TG沉积到脂肪细胞^[25-27]。此外, Mandard等^[28]研究表明, 过表达ANGPTL4鼠其体重和脂肪组织量均显著降低, 而脂肪组织中涉及脂肪分解的脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)mRNA表达显著提高。Bäckhed等^[29]研究发现, 敲除ANGPTL4的无菌小鼠(ANGPTL4-/-)更易受到高脂日粮的影响而引起肥胖且其骨骼肌中涉及到脂肪酸氧化分解的基因(如CPT1等)较同窝野生型无菌小鼠(ANGPTL4+/+)有显著降低。可见, ANGPTL4具有促进脂解和脂肪酸氧化分解, 减少脂肪沉积并刺激脂肪动用的作用。

3.2 ANGPTL4对动物肝脏脂肪代谢的影响

肝脏是动物机体涉及脂肪代谢的主要器官, 其脂肪代谢能力是判断动物体脂肪沉积情况的重要指标。有研究表明, 过表达ANGPTL4可诱导鼠肝脏肿大和脂肪肝生成^[7], 且高脂饮食还可诱导过表达ANGPTL4鼠其脂肪肝现象更为明显^[28]。由此可看出, ANGPTL4具有调节动物肝脏脂肪代谢的作用。动物体肝脏脂肪沉积是肝脏脂肪合成、分解以及转运的净产物, ANGPTL4鼠肝脏肿大和脂肪肝的现象表明ANGPTL4具有导致动物体肝脏脂肪合成高于分解和转出的作用, 但ANGPTL4影响动物肝脏脂肪代谢的具体机制目前还尚未明确, 有待于进一步研究。

3.3 ANGPTL4对动物血液生化指标的影响

ANGPTL4对动物血液生化指标影响的研究多集中于在鼠上。通过给鼠静脉注射ANGPTL4重组蛋白、过表达鼠ANGPTL4以及敲除鼠ANGPTL4基因的3种方法, 研究发现ANGPTL4具有提高鼠血浆TG、TC、VLDL和NEFA含量的作用^{[27-28, 30-33]}。血清脂质和脂蛋白是反应动物体脂肪组织与肝脏间脂肪酸循环基础调节情况的重要指标, 大多数脂质在血液中的转运是以脂蛋白的形式进行的, 且内源性TG和TC主要靠VLDL参与转运, 而NEFA主要由脂肪组织中TG的水解产生, 它的浓度可反应脂肪组织中的脂解活性^[34]。前面已经提及, ANGPTL4可抑制LPL活性, 而LPL的作用是催化血液中VLDL所携带的TG和TC水解, 因此ANGPTL4诱导的动物体高血脂的产生正好与前面提到的ANGPTL4具有抑制LPL活性的功能相对应; 而ANGPTL4诱导的动物体高血浆NEFA的现象也正与前面提及的ANGPTL4具有促进脂解的功能相对应。

4 肠道微生物-ANGPTL4-动物脂肪代谢关系

ANGPTL4在肠道微生物影响动物脂肪代谢中具有重要作用, 肠道微生物-ANGPTL4-动物脂肪代谢三者间存在密切的关系。无菌小鼠定植肠道菌群后可抑制肠上皮细胞ANGPTL4表达, 进而缓解ANGPTL4对LPL的抑制, 促进LPL介导的TG在脂肪组织中储存; 此外, 肠道微生物降低ANGPTL4水平和减少腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)的活化还能够降低小鼠骨骼肌中脂肪酸的氧化^{[10, 26]}。

5 总结与展望

综上所述, 肠道微生物与其宿主脂肪代谢间存在着密切联系, 且ANGPTL4可作为连接肠道微生物与宿主脂肪代谢的重要媒介之一。肠道微生物自身、代谢产物及其细胞壁成分均可作为影响宿主ANGPTL4表达的重要因素, 而ANGPTL4作为一种与动物脂肪代谢密切相关的蛋白, 可影响动物骨骼肌、脂肪组织和肝脏脂肪代谢以及动物血液生化指标。因此, ANGPTL4在肠道微生物影响动物脂肪代谢中发挥着重要作用, 为揭示肠道微生物影响动物脂肪代谢的原因具有重要意义。但肠道微生物调控动物ANGPTL4的机制复杂, 目前尚不完全明确; 另关于ANGPTL4对动物脂肪代谢影响的研究多集中于在鼠上。因此, 探索ANGPTL4在肠道微生物影响其它动物特别是畜禽脂肪代谢中的作用将是未来研究的重点, 且该内容也将为更好解释益生菌和酸化剂等饲料添加剂影响畜禽脂肪沉积、促进畜禽生产性能的现象提供依据。