研究背景

应激反应系统与昼夜节律系统在进化上高度协同，是生物体响应环境变化的核心适应机制。尽管应激反应是对即时威胁的快速适应过程，而昼夜节律是内源性预测环境变化的节律系统，但两者通过下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA轴）和自主神经系统共享信息传递通路。研究表明，应激触发的糖皮质激素释放强度受昼夜时相调控，且其节律紊乱会导致应激反应异常。

近年来，肠道微生物群作为HPA轴的调控者逐渐受到关注。无菌小鼠表现出应激后糖皮质激素过度释放及昼夜节律异常，而菌群定植可逆转这一现象。然而，菌群如何整合昼夜节律与应激系统的交互作用尚属未知。文章通过多组学分析，揭示肠道微生物通过HPA轴调控糖皮质激素节律，进而影响海马和杏仁核的应激响应通路，阐明了菌群作为应激-昼夜节律互作的关键协调者的机制。

肠道菌群呈现昼夜节律性波动并调控皮质酮的昼夜节律

为深入探究肠道菌群昼夜节律对脑功能的影响，文章采用宏基因组测序技术，在菌株水平上系统分析了小鼠肠道微生物群的昼夜振荡特征。结果显示，乳酸杆菌属等益生菌呈现显著的昼夜波动模式。通过建立无菌（GF）小鼠和抗生素处理（ABX）小鼠模型，发现微生物群缺失会导致血浆皮质酮昼夜节律的显著改变。结果表明，肠道微生物群可能通过调控HPA轴激素分泌的昼夜节律，进而影响机体的应激反应系统。

通过分析视交叉上核（SCN）、海马体和杏仁核的转录组，发现肠道菌群缺失会显著影响中枢生物钟节律。GF小鼠和ABX小鼠的SCN核心时钟基因（Bmal1、Clock、Cry2等）呈现节律紊乱。GO富集分析显示，节律紊乱基因主要参与光周期调控等昼夜节律通路。图1 肠道微生物群呈现昼夜节律性波动并调控皮质酮节律与视交叉上核转录组

大脑应激通路的节律性受微生物群调控

在海马体和杏仁核中，GF和ABX小鼠分别有1524个和505个基因丧失节律性。GO分析表明这些基因与应激系统功能相关，特别是对糖皮质激素和束缚应激的反应。其中，海马体的Gsk3a和杏仁核的Hmgb1被鉴定为最重要的特征基因，这两个基因均与应激诱导的神经炎症和抑郁样行为相关。这些结果证实肠道菌群通过调控关键脑区应激通路的节律性来影响应激反应。

图2 肠道微生物群的缺失塑造海马体与杏仁核转录组的节律性振荡

微生物群状态改变中枢谷氨酸代谢的昼夜节律振荡

文章进一步检测了GF小鼠和ABX小鼠海马体与杏仁核代谢组的昼夜变化，与转录组结果类似，代谢物的节律谱也受微生物群状态调控。与常规（CV）小鼠相比，GF和ABX小鼠代谢组节律性显著丧失。代谢物富集分析发现，谷氨酸代谢通路在杏仁核和海马体中均与节律性基因显著相关，谷氨酸及其衍生物水平因菌群紊乱发生昼夜波动。

图3 肠道微生物群紊乱导致大脑谷氨酸代谢昼夜模式改变

肠道微生物群缺失破坏HPA轴节律并损害下丘脑血脑屏障功能

在HPA轴的三个关键部位中，ABX小鼠的应激相关基因（如Crh、Avp、Pomc等）表达节律异常，同时糖皮质激素受体（Nr3c1）的节律性也被破坏。PVN和肾上腺中的核心时钟基因（如Per1）表达紊乱，进一步证实菌群对HPA轴节律的调控作用。

此外，ABX小鼠的下丘脑血脑屏障功能出现时间依赖性异常：紧密连接蛋白（Ocln、Tjp1）的表达节律消失，且在HPA轴激活高峰（ZT11）时屏障通透性增加，而在ZT23时通透性呈下降趋势。结果表明，肠道菌群通过调控血脑屏障完整性和HPA轴节律，影响机体的应激反应，其作用具有昼夜时间特异性。

图4 微生物群缺失改变HPA轴昼夜节律并破坏下丘脑血脑屏障功能

肠道菌群通过昼夜节律调控应激反应与社交行为

为探究微生物群依赖的大脑节律振荡与循环皮质酮水平变化可能影响应激状态下的生理和行为反应，文章对小鼠进行急性束缚应激实验，并检测皮质酮应激反应。研究发现，ABX小鼠在ZT11应激时皮质酮释放受阻，而ZT23反应正常。行为实验显示，ZT11时段仅对照组小鼠在应激后出现社交行为抑制，ABX组无此变化；但ZT23时段两组均受抑制。通过抑制皮质酮合成可逆转VEH组的社交障碍，证实肠道菌群通过调控HPA轴昼夜节律影响应激行为。研究揭示了微生物群-昼夜节律-应激反应的关联机制。

图5 微生物耗竭导致应激反应和应激敏感行为的时间依赖性变化

肠道菌群昼夜节律调控糖皮质激素分泌的时相特异性

文章进一步研究发现，仅靶向革兰氏阳性或阴性菌的抗生素不足以改变皮质酮昼夜节律，而全谱抗生素（ABX）鸡尾酒可特异性升高ZT11时的皮质酮和ACTH水平，且该效应无性别差异，并在停用抗生素1周后恢复。ABX处理导致盲肠菌群DNA在ZT11时异常积聚，而无菌小鼠中ABX未引发皮质酮变化，证实菌群破坏是引起变化的关键。

图6 抗生素暴露后残留微生物调控糖皮质激素节律峰值

肠道微生物的昼夜振荡驱动皮质酮释放的变化

文章通过将ABX小鼠ZT11和ZT23时间点的粪便微生物移植至无菌小鼠，发现ZT11组受体小鼠皮质酮水平显著高于ZT23组，且垂体Pomc表达增加、PVN区Oxt表达降低，表明微生物昼夜差异可影响HPA轴。重复实验显示，正常（VEH）供体微生物群移植后，ZT11组皮质酮亦有升高趋势。

宏基因组分析显示ABX组ZT11与ZT23微生物组成差异显著，且其变化与皮质酮水平相关，而VEH组无此关联。罗伊氏乳杆菌（L. reuteri）是唯一在两组中均呈现昼夜差异的菌株，其丰度节律与皮质酮峰值同步。进一步验证显示，该菌仅在ZT11时间点灌胃可升高皮质酮，证实其时间特异性调控作用。据此本研究确定昼夜节律性是肠道微生物群调节应激反应的关键组成部分。

图7 微生物组成的变化是循环皮质酮水平改变的基础

参考文献：Tofani, Gabriel S S et al. “Gut microbiota regulates stress responsivity via the circadian system.” Cell metabolism vol. 37,1 (2025): 138-153.e5. doi:10.1016/j.cmet.2024.10.003

影响因子：27.7