微生物-宿主串扰和肠道微生物组向肠外器官的信号传导

人类肠道的生态系统由数万亿细菌组成，形成一个生物反应器，由膳食宏量营养素提供燃料，产生生物活性化合物。这些微生物衍生的代谢物向身体远处的器官发出信号，这使得肠道细菌能够与免疫和激素系统、大脑(肠-脑轴)、宿主代谢以及宿主的其他功能相连。这种微生物与宿主的交流对维持健康宿主的重要功能至关重要。然而，最近，肠道微生物群与许多疾病有关，从肥胖和炎症性疾病到与神经发育障碍相关的行为和生理异常。

在这篇综述中，我们将讨论微生物-宿主串扰和肠道微生物组向肠外器官的信号传导。我们将回顾这种通讯如何影响宿主生理的机制，并讨论错误配置的信号如何导致不同的疾病。

肠道菌群将环境信号和饮食分子转化为传递信号的代谢以与宿主通讯

肠道菌群和人体其他器官的联系

肠道菌群能够将环境信号和饮食分子转化为代谢物信号与宿主进行交流。图中的顶部表示能够改变肠道菌群组成的影响因素。肠道菌群接受这些外界信息将其转变为代谢物，从而给宿主的不同器官和组织传递信号

肠道菌群与宿主脂肪组织的通讯，不同颜色的线条代表不同机制。

肠道菌群和宿主脂肪组织交流

在小鼠体内，来自动物的饱和脂质（橘色箭头）促进了细菌和细菌的内毒素以及肽聚糖转移至体循环，导致 CD14 和 NOD1 依赖的白色脂肪组织（white adipose tissue, WAT）发生炎症，促进了二型糖尿病的发展[1]。该效应可以被 Bifidobacterium animalis ssp. lactis 抑制[2]。膳食纤维（绿色箭头）由结肠的肠道微生物发酵产生短链脂肪酸（SCFAs）比如说乙酸，从而通过 G 蛋白偶联受体 43（GPR43）传递信号给宿主[3]。暴露于寒冷环境下（蓝色箭头）能改变肠道微生物组成，导致白色脂肪组织（WAT）褐变并且激活棕色脂肪组织（BAT）促进产热[4,5]。产热增加可以通过 AMPK 影响肝脏和肌肉功能，导致能量消耗增加。

CD14:   一种 LPS 受体；

NOD1: 一种蛋白受体，能够识别细菌的分子和刺激免疫反应；

AMPK: 一种酶，在细胞能量稳态中起作用，主要是在细胞能量低时激活葡萄糖和脂肪酸摄取和氧化

肠道菌群与人体的多种疾病相关

肠道菌群的组成，多样性以及它们衍生代谢物发生的变化能够影响人体的不同器官且和疾病相关。肠道细菌致病作用的证据在代谢性疾病中最明显。

肠道菌群通过肠-脑轴和大脑进行交流

与有微生物定植的小鼠相比，年轻的无菌小鼠（GF, 缺少微生物的小鼠）增加了应激反应和脑源性神经营养因子（BDNF）的表达。给无菌小鼠定植致肠病的大肠杆菌（EPEC）可以通过未知的机制加重应激反应[1]（黑色箭头）。抗生素处理改变肠道菌群组成（紫色箭头），减少了   IL-17+γδ   T 细胞向脑膜的募集，进而减少了缺血性脑损伤。膳食纤维（绿色箭头）由结肠的肠道菌群发酵产生短链脂肪酸（SCFAs）和琥珀酸。在患有自闭症谱系障碍的儿童中观察到短链脂肪酸如乙酸，丙酸，丁酸，异丁酸，戊酸和异戊酸以及氨的水平增加。然而短链脂肪酸的致病作用仍然有待确认。短链脂肪酸能使血脑屏障变得更加紧密，同时，短链脂肪酸乙酸能够激活副交感神经系统，导致胃饥饿素的分泌增加以及肝脏和肌肉中的胰岛素耐受和脂质沉积（红色箭头）。短链脂肪酸丁酸和丙酸以及琥珀酸可以激活肠道糖异生，进而通过肠-脑神经回路改善中心代谢（central metabolic）。肠道菌群也可能通过色氨酸羟化酶2（TPH2）依赖的方式调节大脑中的色氨酸合成。