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。

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。

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。

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