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腸內菌,玄機多!

你知道人的腸內菌可達100 兆,是所有身體真核細胞的10 倍嗎?若讓身體每個細胞都有投票權,決定人到底是細菌國還是哺乳類國,則鐵定屬於細菌國!

程樹德

動物的消化道內,經常有大量微生物存在,雖然口腔、食道、胃及小腸內,或因其酸度高或物質之流速快,均沒有很多的細菌(少於每毫升10 萬隻),但大腸內物質流速慢、有機物多,微生物就有機會增殖至極驚人程度,如大腸下端每毫升物質,就有1000 億至1 兆個細胞,成年人腸內菌總數可達100 兆,就是人類所有身體真核細胞的10 倍,若每個細胞都擁有一票,以投票決定人到底是屬於細菌國還是哺乳動物國,則人鐵定歸屬於細菌國,且是一個大細菌社會。

若以當今70 億人來計算,其微生物總量可達10 的24 次方,雖然只是海洋內微生物總數的十萬分之一,但綜合各種動物的腸內菌,腸內這一特殊棲地,也算是地球上微生物很重要的生態環境呢!

益生菌的誤解

現在市面上頗為喧騰的「益生菌」概念,即吃活細菌可以對宿主有好處,是一項頗為根深柢固的想法,其源於20 世紀初年,曾獲得諾貝爾醫學獎的俄國科學家梅奇尼可夫(EliMetchnikoff, 1845~1916),於法國巴黎的巴斯德研究所任教時有的想法:是否人的老化與大腸內腐敗細菌有關呢?他假定,像大腸內常存的梭狀芽孢桿菌(Clostridium),既能水解蛋白質,並產生有毒物如酚(phenol)、吲哚(indole)及氨(Ammonia),這些東西可能讓腸子自我中毒(Auto-intoxication),而當長久中毒後,就產生老化特有的身體變化。

保加利亞或俄羅斯農人常喝 乳酸菌發酵的酸乳。

由於當時細菌學家業已知道,把乳酸菌加入牛奶中,菌因發酵了其中的乳糖而生酸,使牛奶變酸,這反而抑制了讓牛奶腐臭的細菌生長;梅氏也觀察到,保加利亞或俄羅斯農人常喝乳酸菌發酵的酸乳,當中有些人又特別長壽,於是推論常喝有活菌的酸奶,可將乳酸菌種植在大腸內,增進大腸的酸度,因而壓制水解蛋白質的細菌,他因而從保加利亞酸奶中分離出一種菌,用以製酸奶且親自飲用,並宣稱確有裨益,朋友中有追隨者,有些巴黎醫生也開始讓某些病人喝酸奶。但是到了1 9 2 0年,瑞特格(L. F.Rettger)讓人喝酸奶後,再檢視腸內菌群,發現梅氏所宣傳的「保加利亞桿菌」在大腸內根本活不了,於是一舉摧毀了梅氏的推論,他的老化學說也深受質疑。

回顧這一小段科學史,我驚訝梅氏有強大的觀察力及豐富想像力,能從試管的所見,直接跳躍到腸內的複雜世界,同時又能劍及履及的親自體驗,表現了傑出科學家最需要的特質,而他學說終歸錯誤,也無可避免,因為科學所根據的假設,常是靈光一現的遐想及猜測,很難經得住實際檢驗呢!

雖然迷人的假設已被打倒及拋棄,但還是有些人因依依不捨而讓它復活,還以之創立大企業呢!養樂多即為一例,日本人代田稔(1899~1982)在1930年於京都大學念醫學院時,即分離出了一株乳酸菌,名叫養樂多代田菌,5年後開始販賣,此產品在日本與日本曾殖民的地區頗為流行。但每100 克液體竟含有18 克的糖,這是否有益生效果,仍頗有爭議,但常喝者會變胖則是確定的。

核酸定序與菌種劃分方法

然而開始以總體角度來研究人體腸內菌,則要等到大量定核酸順序的能力出現之後。核苷酸(DNA)是很長條的核酸單元聚合物,經由核糖上的氫氧基與磷酸相連,成為很長的鍊,側枝的鹼基則可以經由氫鍵與互補鏈相連,這A與T互補及G與C的互補,就能保證一條DNA 長鍊上的遺傳資訊能準確地複製到互補那一鍊上。

英國人桑格發明的核酸定序法,將一種特製的核酸單元加入到延長中的DNA鍊上,此單元因缺乏一個氫氧基,無法進一步延伸,於是形成各種不同長度的單鍊DNA ,再用電泳法將各種長度的片段展開後,短的跑得快,位居前列,長的跑得慢,滯延於後,整個鹼基的順序,便能由下而上讀出來。

養樂多自1935年問世以來就深受大眾喜歡、 長銷不衰。此產品是由日本代田稔博士在 1930年分離的養樂多代田菌所製造,然而是 否有益生效果仍頗有爭議,但因其含糖量甚 高,常喝者會變胖是確定的。

這真是極精巧的設計,但實作時仍要幾天時間,才能得到數百個核苷酸的序列。然而經過30 年的逐步創新,當極大量平行定序機器發明時,可在玻璃片上一微小區域放上定序過程,同時對數萬個小區定序,雖然每個小區肉眼難見,但仍可以用細束激光或精細的螢光感應器,偵測此一小區內,某一核酸是否能被酵素加入生長中的DNA 鍊上,偵測同時即記錄之,於是短時間內,可產生百萬以上核酸序列,再用電腦程式互相比對,將短鍊資訊連的更長。

執行這種亂槍打鳥的定序後,細菌的種類如何能劃分呢?這要拜伊利諾大學細菌學家伍茲(Carl Woese, 1928~)之功所賜,他長期對細菌核糖體內一條小核醣核酸(16S rRNA)的基因定序,現已累積20 萬筆資訊於基因銀行(Gene Bank)中,只要定到這一基因的序列,便能將這一細菌分類。

有了這種強大的工具,美國密蘇里州聖路易市華盛頓大學的戈登(J.I. Gorden)研究小組,便運用這策略,決定人體糞便內可有多少種細菌。

 

腸內菌大觀

決定腸內菌有多少種,並不容易,腸內是個很特殊的生態環境,並非人造的機器所能模擬,故可培養及分離的菌種類,遠遠小於不能培養的菌種類,現在單從總群體的核酸予以定序,再由序列中找出與核糖體次單元核酸分子(16S rRNA)相似的分子,予以收集排比後,就可窺見大致的菌相。

如以98%次單元核酸分子的相同程度來劃分種,則戈登所蒐集的人腸內菌核酸序列可得約800種,但若以每一種特殊的次單元核酸分子順序當一個細菌株(strain ,是分類在「種」這一大群體下的更小純系群體),則超過7000 株,這是頗大的變異,存在種及株這兩個分類層次。

但若從細菌域(domain)這最高層級的分類來看,細菌域內已知可粗分為55 個大枝(Divisions)——這所謂「枝」,現在被賦予超界或深演化分枝(Super Kingdom 或Deep Evolutionary Lineage)的分類地位,即18 世紀時林奈(Carl Linnaeus, 1707~1778)所定界門綱目科屬種七大層次,業已不符使用,故疊床架屋地加於界以上,構築了超界及域兩個更高層次,而在種以下,也加了一個株的層次。

人腸內菌的核酸序列只分布於55 大枝中的8 枝,其中有5 枝相對較稀少,故絕大多數的腸內菌只歸類於3大枝之內,即噬細胞菌—黃桿菌— 類桿菌類(C y t o p h a g a -Flavobacterium-Bacteroides)、厚壁菌類(Firmicutes)及變形菌(Proteobacteria),前兩枝各占30%以上的菌株。

與人類共同演化的證據

這就指出一個有趣現象,即人腸內菌是地質史上細菌演化出的55 大分枝中,僅有的3大枝予以使用腸道作為棲息環境,這是否意味寄主施予強烈的選擇壓力?以及天擇施予寄主及腸內菌另一種強烈選擇,逼迫寄主與腸內菌共同演化呢?也就是說,寄主的腸內免疫系統是否利用分泌性抗體(IgA)及吞噬細胞或溶菌,來監控腸內菌的行為?以鼓勵合作者,並懲罰破壞者呢?且若腸內菌破壞了寄主的健康,讓他病厭厭甚至死亡,則整個腸內菌大社會也同時進了棺材內?

有項證據似乎顯示人與腸內菌有共同演化關係。在噬細胞菌這一枝(CFB),有許多腸內菌的核酸變異量最多,也只有它們與這一枝的祖先,有最大的改變量,及最遠的遺傳距離,換句話說,這些進駐腸道的菌,曾經加速度演化以適應寄主環境,同枝(CFB)很多菌,也存在其他哺乳動物腸道內,這也指出,這枝內某些菌與哺乳動物的共生,可能已很久遠了。

母親否也把自己腸內菌傳給兒女呢?胎兒腸內無菌,但經過產道時,是否順便接收了媽媽的腸內菌? 2001 年柔天道(Zoetandal etal.)等人用檢驗核酸片段之特徵方法,發現同卵雙生子的腸內菌間相似性,大於雙生子與其同桌共食的配偶間相似程度,同一研究也及於異卵雙生子及兄弟,他們間的相似度,也與同卵雙生子間一樣,支持母子相傳的理論。

長達幾千萬年的共生關係,是否代表某些腸內菌對於寄主大有助益呢?以前面所提益生菌為例,腸內菌可製造維生素B12,讓大腸攝取,現在似乎有證據,顯示腸內菌可能貢獻能源及廣泛的代謝能力予寄主呢!

腸內菌是造成胖瘦的主因?

腸內的類桿菌中有一種常見致病菌,叫多形類桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron),因它的細菌體內常有液泡狀物,使細菌外型像希臘字母,這種伺機引起病症的厭氧菌有很大的基因體,達630萬核酸,當完全定序後,發現它帶有許多代謝碳水化合物的基因,光是醣的水解酵素就有226個,這是否能幫忙寄主消化植物多醣,以產生醋酸等小分子,供寄主為能源呢?

同一研究組在2004 年就曾以此觀念來指導實驗,它們讓同種鼠分兩組,一組經剖腹產,並養在完全無菌環境中,是俗稱的無菌鼠,另一組則自然生產,腸內有菌,兩組給相同富含多醣的飼料,雖然有菌鼠食量低於無菌鼠,但是初成年時,有菌鼠體脂肪,比無菌鼠要高出40%。

這與腸內菌幫忙擷能有關嗎?實驗者拿了一些有菌鼠糞摻入飼料中,讓無菌鼠也建立腸內菌群,很快地, 10 天到2 週後,無菌鼠就變得一樣肥了。

研究發現老鼠腸內菌會影響對食物的運用效率,進而造成胖瘦的差異。

這項實驗顯示腸內菌可能幫寄主獲取更多能量,那麼胖寄主與瘦寄主間,腸內菌相是否不同呢?於是戈登小組就用基因只差一個的同株純系老鼠進行這實驗。

瘦素是一個小蛋白質,由脂肪組織分泌給腦,下視丘收到瘦素信號後,會降低食慾,以調節脂肪量,當這激素發現時,給予全球胖子極高的期望,想賺大錢的公司也先掏出大錢,包下瘦素可能衍生的商業利益。

可惜事與願違,胖子腦中大都不聽瘦素指揮了,故使這一減肥藥的黃金大夢提早破滅,但科學家破壞老鼠瘦素的一對基因後,卻使老鼠胖嘟嘟呢!

戈登取出胖及瘦鼠盲腸的菌群,並予定序,共得1 億6000 萬個核苷酸序列。在胖鼠腸內菌中,厚壁菌類與類桿菌類之比例,要高於瘦鼠的腸內菌,例如厚壁菌內常見的是直腸優桿菌(Eubacteriumrectale),而類桿菌中常見的是多形類桿菌,其核酸序列出現的頻率比,胖鼠樣本是7.3 ,而瘦鼠內只有1.5 。

戈登也發現胖鼠樣本內,古菌序列出現次數高於瘦鼠,此常見古菌是史密斯產甲烷短桿菌(Methanobrevibactersmithii),產甲烷的古菌如何能增進多醣的發酵呢?有一種可能是產甲烷的古菌在無氧環境中,搜刮二氧化碳及氫分子,以產生甲烷,當氫分子濃度降低,大有利於細菌發酵,因為移走了發酵的最終產物。

戈登對這一古菌的可能效用,曾以無菌鼠做了一組實驗,一組給予史密斯產甲烷短桿菌及多形類桿菌,另外兩個控制組則只給其中一種菌,他們發現有這兩種菌的鼠,食物運用效率高,且脂肪增加也多於兩控制組。

那麼將胖瘦鼠腸內菌接種到成年無菌鼠(品系C57 BL16)之腸內,會有何差異呢?實驗結果發現,兩週後兩組鼠食量沒差異,但接種胖鼠腸內菌群的老鼠增重了,約為瘦鼠增重的一倍(47%比27%)。

腸內菌與寄主的互動,該是一個很複雜的大領域,目前的研究,顯示古典益生菌的觀念的確單純了些!未來將面臨更多考驗。

參考資料

1. Backhed, F. et al., Host-Bacterial Mutualism in theHuman Intestine, Science, Vol. 307:1915-1920, 2005.

2. Turnbaugh, P.J. et al., An obesity-associated gutmicrobiome with increased capacity for energyharvest, Nature, Vol. 444:1027-1031, 2006.

程樹德任教陽明大學微免所

本文原發表於科學月刊第四十三卷第四期

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