昼夜节律与肠道健康

2017年诺贝尔生理和医学奖：果蝇告诉我们的故事

作者丨上海嘉会国际医院  夏璐   

来源｜医学界消化肝病频道（CCCF—IBD学习驿站出品）

图1.昼夜节律机制：节律蛋白PER的水平存在24小时周期性变化，与昼夜节律相一致。在夜间，PER与TIM蛋白结合后形成异源二聚体进入细胞核，使细胞核内PER升高，抑制Period基因活性，对PER的合成产生负反馈抑制；而在白天，由于帮助其进入细胞核的TIM蛋白在光照刺激下大量降解，PER难以进入细胞核，细胞核内的PER浓度下降，这就逐渐形成了细胞昼夜节律的自我管理。(周期基因：period, 时钟发条基因：timeless)

- By Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young

Circadian rhythm abnormalities – Association with the course of inflammatory bowel disease

Aleksandra Sobolewska-Włodarczyk, Marcin Włodarczyk, Janusz Szemraj, Krystyna Stec-Michalska, Jakub Fichna, Maria Wisniewska-Jarosinska

昼夜节律异常与炎症性肠病病程相关

Abstract

Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC) are the main representatives of inflammatory bowel diseases (IBD), a group of chronic, immune system-mediated inflammatory diseases of the gastrointestinal (GI) tract. The pathogenesis of the intestinal lesions in IBD is not entirely identified and understood: excessive activation of the immune system may come as a result of the interaction of various environmental and infectious factors, genetic predisposition, and the mediation of abnormal intestinal flora. The main objective of the current study is to further identify the risk factors for the development of IBD. Currently, there is very little knowledge about circadian rhythm and IBD and there are only a few studies on the relationship between sleep disturbances and the course of the disease, as well as pro- and anti-inflammatory cytokine profile and general immune system functioning. Furthermore, the relationship between the expression of circadian rhythm genes and severe course of IBD is still unknown. The aim of this review is to show the current state of knowledge about the relationship between circadian rhythm disorders, sleep disturbance and inflammation in the GI tract and to analyze the possibility of employing this knowledge in diagnosis and treatment of IBD.

文献来源：Pharmacological Reports 2016，68： 847–851

昼夜节律的机制及调控基因

昼夜节律受多种环境信息如光、食物、社会关系等综合影响，并通过复杂的神经-体液通路作用于生物钟。光线是影响生物节律最重要的因素。光投射到视网膜，通过视网膜下丘脑通路到达视交叉上核(SCN)，然后通过多突触通路传递至松果体，从而抑制褪黑素的产生。褪黑素可受环境及体内其他因素调控并调节生物节律，其受体遍布全身各处。人体的24小时节律不仅受中央时钟控制，也受胰腺、肝脏和脂肪组织中的外周时钟影响。

（图2：译者注：SCN，即昼夜节律起搏器或昼夜节律生物钟，是“标准时钟调节器”。单个细胞是有自节律的，但如无SCN的调节，其节律是无序的。每个细胞的节律都可能不一样，SCN的作用就在于通过神经信号来同步下游细胞的节律。图片来源于网络）

人体中一系列昼夜节律基因CLOCK基因通过正反馈或负反馈机制调节生物钟。简而言之，CLOCK 蛋白和BMAL-1蛋白形成异源二聚体，在白天浓聚，并与Period (per) 和Cryptochrome (cry)基因启动子区结合，促进其转录，而后PER2和CRY蛋白浓聚，形成异源二聚体并抑制CLOCK 和BMAL-1的转录。PER2 和BMAL-1作用相反，互相制约。SCN对节律的调节昼夜不息，在白天/黑夜的循环中调整着一系列基因的表达，这些基因的具体作用途径还不明朗，但有研究发现肠肌丛中PER2的表达可调控乙酰胆碱和一氧化氮的节律释放，从而调节肠道蠕动。研究认为昼夜节律还可影响小肠营养吸收、胃酸分泌、胃肠道动力和消化酶的分泌。

昼夜节律异常与免疫功能

皮质醇的释放本身就受昼夜节律调节。免疫功能与睡眠质量相关，有一系列的研究可以说明睡眠紊乱可导致免疫和促炎/抑炎介质失衡。例如研究发现睡眠紊乱时动物和人体内均有促炎因子IL-1b, IL-6 ，TNF-a以及C反应蛋白的增加，并进一步影响炎性细胞如巨噬细胞、淋巴细胞对炎症的反应，还对下丘脑产生刺激从而引起体温升高。炎症反应和睡眠障碍，可能互为因果关系。

昼夜节律异常与肠道微生态

目前已知肠道微生态异常与IBD等多种肠道疾病及全身疾病的发病密切相关。动物自身的生物钟在一定程度上控制着体内微生态的时相变化，但微生态本身并不具备生物钟。约10%肠道细菌的数量会呈现昼夜性的变化，这些细菌所参与的生理功能也同样存在昼夜差异。例如，能量代谢和蛋白质合成多见于白天，与此相反，解毒过程则主要发生在夜晚，这种现象并不是细菌的生物钟，而是说明肠道细菌与人体生理功能相适应的相位差异。这些细菌可以感知到宿主的生物钟，并据此来调节它们的生长和代谢。

缺乏肠道微生态的无菌小鼠与正常鼠相比其肝内表达的代谢相关基因有很大不同，其中包括生物节律相关基因，无菌小鼠脑内生物节律相关基因的表达也有明显差异，提示肠道微生态对节律相关基因的影响甚至可到达远处器官。另有研究发现在微生态缺乏小鼠肠上皮中Bmal1 和 Cry1 基因表达抑制，并推测其受模式识别受体介导并可直接识别细菌成分如脂多糖LPS。Clock(D19)突变造成的昼夜节律改变也与肠道微生态失衡有关。

睡眠障碍与IBD

在动物研究中人们发现昼夜节律紊乱对结肠炎症有负面影响。Nachmias 的报道提示约54% IBD 患儿有睡眠问题。与对照组比较，IBD患者存在主观 (使用匹兹堡睡眠质量评分 PSQI)以及客观 (使用多导睡眠仪测定) 的睡眠障碍。IBD 患者睡眠质量较差，从而进一步影响其生活质量。睡眠障碍直接与炎症活动度相关（如临床症状、CRP等），Ali 的研究还发现所有活动期患者PSQI 均异常，而PSQI异常者在3个月时复发率达到47%，6个月时为 67%。

睡眠质量评分能否成为提示疾病活动度的一个指标？通过生理、心理治疗改善睡眠障碍是否有助于IBD的治疗？目前关于睡眠障碍影响IBD病程的机制研究还很少，可能是通过对促炎及抑炎因子的调控发挥作用,如能明确生物节律与IBD的关系能帮助我们进一步理解IBD的发病机制，并对IBD患者的综合性、个体化治疗提供有力依据，有望改善IBD患者的生活质量和预后。

点评

图3. 细胞周期抑制及抗凋亡的增加可通过坏死性凋亡促发IBD患者的慢性炎症反应。无论在静止期或在炎症状态下，完整的昼夜节律可通过维护肠上皮细胞的凋亡及增殖来保持肠上皮稳态。昼夜节律失衡可导致肠上皮细胞凋亡及增殖失调，在炎症状态下尤甚。cIAP-2 强大的抗凋亡作用可激活 NF-kB 并可上调坏死性凋亡介质 RIP3。炎症状态下IECs中过多的坏死性凋亡可进一步引起持续存在的慢性炎症。[1]

在人体复杂的生理机制中，生物钟在许多方面扮演着重要角色。多达15%的人体基因受到生理节律昼夜模式的调控;肝脏中近50%与代谢信号通路相关的基因受到这些节律的影响。生理节律紊乱不仅在宏观造成我们可以感知的诸多健康问题，在微观状态下，在我们的肠道内环境中，亦对我们的健康包括肠粘膜屏障、肠道微生态以及多种肠道疾病逐步造成深远的影响。

反之亦然，实验发现一系列与IBD发病有关的促炎因子可抑制节律相关基因活性。在一些活动期的IBD患者中，常常因需夜间排便、腹部不适等情况加重了睡眠紊乱，出现睡眠片段化(sleep fragmentation)的状态，并导致睡眠障碍-肠道不适互相促进的恶性循环。

图4 蛋与鸡的关系：睡眠障碍与肠道炎症[6]

果蝇告诉我们：白昼来临，per 与 tim 两种基因不断表达节律蛋白PER和发条蛋白TIM，起初PER 浓度太低，接近午时， PER 和TIM 越来越多并形成二聚体，慢慢进入细胞核，开始抑制 per 和 tim 基因的表达。大量的光照在消耗着TIM，黄昏时分，细胞质内的 PER 和 TIM 的浓度开始渐渐降低，随着夜幕降临，由于PER 和 TIM 的浓度越来越低，已经无法形成二聚体，于是，我们该睡觉了。

研究昼夜节律的目的，并不仅仅在于规劝人们早点睡觉，生物钟是一个工具，对它的探索今后可能会进一步改变人类的生活，例如科学家目前已经可以为大肠杆菌加装时钟从而使细菌“更加守时”，这样自带计时器的微生物是否可以用于在肠道中定时投放药物？什么是“准时的”益生菌？将来针对昼夜节律的干预是否能治疗时差综合征？是否对疾病有协同治疗作用？你永远不会知道将来会发生什么。

参考文献：

1. Rene Pagel, Florian Bar, Torsten Schroder, et al. Circadian rhythm disruption impairs tissue homeostasis and exacerbates chronic inflammation in the intestine. The FASEB 2017 [Epub ahead of print]

2. Leso V, Ricciardi W, Iavicoli. Occupational risk factors in inflammatory bowel disease. Eur Rev Med Pharmacol Sci. 2015 (15):2838-51.

3. Nachmias V, Sheinber A, Weiss B, et al. Sleep disturbances among young patients with IBD in Israel. J Pediatr Gastroenterol Nutr 2006;2(1):43–8.

4. Keefer L, Stepanski EJ, Ranjbaran Z, et al. An initial report of sleep disturbance in inactive inflammatory bowel disease. J Clin Sleep Med 2006;2(4):409–16.

5. Ali T, Madhoun MF, Orr WC, et al. Assessment of the relationship between quality of sleep and disease activity in inflammatory bowel disease patients. Inflamm Bowel Dis 2013;19(11):2440–3.

6. Parth J. Parekh , Edward C. Oldfield, Vaishnavi Challapallisri, et al. Sleep Disorders and Infl ammatory Disease Activity: Chicken or the Egg? Am J Gastroenterol 2015; 110:484–488

（本文仅供学术交流用途）