'腸道菌群會影響禦寒？'

遺傳動物中科院之聲 2019-07-30

編者按：本文作者為中科院遺傳發育所研究員約翰•斯彼克曼（John Speakman），最近他和他的學生們在“腸道菌群是否參與體溫調節過程”這個領域中有了一些新發現。

當動物突然遭遇寒冷環境時，需要立即合成更多的熱量，否則體溫就會下降。50多年前，科學家們就已經發現這其中包括兩個不同的過程：首先是顫抖。顫抖是指肌肉收縮但實際上不做任何機械功，只產生大量熱量。然而，冷暴露後顫抖過程很快就結束了，但熱量合成卻仍會繼續。因此，必然存在某種“非顫抖”形式的產熱——也被稱為“非顫抖型產熱（NST）”。

事實證明，大部分非顫抖型產熱都發生在被稱為棕色脂肪組織（BAT）的脂肪中。BAT之所以屬於脂肪組織，是因為細胞內含有大量脂滴，但與常見的“白色”脂肪組織不同，棕色脂肪細胞內還含有大量的線粒體，所以呈現出棕色的外觀。

事實上，棕色脂肪組織的線粒體相當特殊。線粒體的作用是將我們吃的食物（如糖和脂肪）轉化為一種叫做ATP的化合物，因此線粒體通常被稱為“細胞的發電站”。

實際上，我們認為線粒體更像是一個貨幣兌換點，它們吸收各種不同的大分子，將它們兌換成貨幣，供給細胞用於執行所有有能量需求的功能。但是，棕色脂肪組織線粒體中有一種特殊的蛋白質，這種蛋白使得棕色脂肪組織的線粒體進行貨幣兌換的效率非常低，卻產生了大量的副產品——熱量，這就是非顫抖性產熱的理想來源。因此，當動物遭遇寒冷時，交感神經系統激活棕色脂肪組織，產生大量非顫抖型的熱量以保持體溫。

在過去四十年時間裡，以上這些知識已經為我們所共識，原本我也認為不會有什麼新的發現。因此，當幾個學生來跟我講他們想要做的實驗時，我表示非常懷疑。他們感興趣的是這個過程是否涉及腸道菌群。

腸道菌群是生活在消化道中的細菌群落，它們可以合成多種代謝物，不僅如此，越來越多的研究發現，腸道菌群還參與了從體重調節到抑鬱等一系列生理病理過程。

那麼腸道菌群是否也參與了棕色脂肪組織的體溫調節過程呢？對此我深表懷疑，我的懷疑精神不僅源於我沒有看到證據，還因為腸道菌群這一概念已經被炒得過熱，幾乎每個人都想搭上這趟快車。但我還是非常不情願地同意了，我們設計了一些實驗來驗證它。

起初，我們使用抗生素殺死小鼠體內所有的腸道細菌，然後觀察小鼠冷暴露時的反應，出乎意料的是，小鼠確實無法像正常小鼠一樣進行體溫調節。我想，這也許與抗生素本身有關，而不是與腸道菌群有關。接下來，我們使用了無菌環境中飼養的小鼠，結果幾乎是相同的。這說明腸道菌群似乎是重要的，但可能僅僅意味著，缺乏腸道菌群的小鼠消化食物的速度滿足不了寒冷條件下額外的能量需求。

為了驗證腸道菌群是否真的開啟了體溫調節信號，除了殺死腸道細菌，我們還做了很多其他實驗，最終發現，一種由腸道細菌產生的短鏈脂肪酸（丁酸鹽）似乎是冷暴露期間激活棕色脂肪組織機制的重要元件。我們給缺乏腸道菌群的小鼠補充了它們缺少的丁酸鹽，結果發現其受損的體溫調節能力得到了部分恢復。

該工作發表在最近的 Cell Reports雜誌上。雖然我們目前還不清楚該現象的機制是什麼，但我依然認為，這些發現為我原本認為已經充分研究的舊領域增添了新的活力（和複雜性）。這恰恰驗證了那句古話——“如果你想找新東西，不妨去翻一份舊報紙”。