吉林大学: 菌群对生殖健康的影响

1 前言

2 文献检索方法

3 生殖系统中的菌群

  3.1 雄性生殖系统

  3.2 雌性生殖系统

4 菌群影响生殖功能调节的机制

  4.1 免疫系统的调节

  4.2 代谢的调节

  4.3 激素的调节

  4.4 神经系统的调节

  4.5 基因表达的调节

  4.6 表观遗传相互作用的调节

5 菌群组成的影响因素

6 微生物群在治疗和检测生殖疾病中的应用

  6.1 在治疗生殖系统疾病方面的应用

  6.2 在疾病检测中的应用

  6.3 在辅助生殖中的应用

7 讨论

生殖问题已成为困扰全世界的共同难题。微生物群被定义为定居在动物体内的细菌、真菌、古细菌、病毒和原生动物等微生物的集合。这些微生物可以产生许多生物活性物质，进而与宿主的内分泌、免疫和神经系统发生复杂的相互作用，进而帮助宿主维持内环境稳态和并确保健康发育。越来越多的证据支持微生物和繁殖之间存在联系。最近的一项荟萃分析显示，早产和足月分娩孕妇的阴道微生物群有显著的差异，足月分娩孕妇阴道内乳酸菌的相对丰度更高；这表明，微生物群的变化可能刺激了早产的发生。Wu等人(2021)发现卵巢早衰患者和健康女性的肠道微生物群不同；患者的激素水平改变与微生物群的变化有关，这表明卵子生成受到微生物群的影响。Elgart等人(2016年)报告了去除肠道微生物果蝇的卵子发生受到抑制，而重新移植Lactobacillus部分逆转了这种抑制。微生物群在生殖相关的发病机制中具有重要作用。菌群紊乱会通过改变代谢物、酶和激素水平，影响宿主的代谢、免疫反应、基因表达模式和表观遗传修饰。这种变化可以干扰配子的形成和结合，胚胎的附着和发育，以及疾病的敏感性，从而影响宿主的生殖潜力和妊娠结局。本综述讨论了多个动物物种的雄性和雌性生殖系统中的微生物(表1)，还探讨了菌群对生殖的影响及其基本机制，影响菌群组成的因素，以及菌群在治疗和检测生殖疾病方面的新应用。

文献检索中使用了以下关键词：菌群、微生物组、细菌感染、炎症、代谢、生殖和不孕症。使用PubMed来确定截至2022年1月1日前发表的相关英语文献。摘要和会议记录被排除在外。

许多物种的雄性和雌性生殖道中都存在稳定的菌群。微生物群落及其代谢物的变化影响着雄性和雌性生殖过程的各个阶段(图1)。

图1. 雌性和雄性的微生物群。肠道、子宫、卵泡液、阴道、睾丸和精液中存在特有的微生物群落。子宫微生物群受到阴道和肠道微生物群的影响。此外，精液微生物群可以改变阴道pH值和阴道微生物群。肠道微生物群通过影响瘦素和儿茶酚胺的合成，调节神经系统以及下丘脑-垂体-性腺轴，来调节生殖功能。宿主压力的变化可以影响肠道微生物群。此外，肠道微生物群会影响胆汁酸的生物转化和胰岛素敏感性；胰岛素抵抗和胆汁酸合成减少会导致肠道微生物群的失衡。FSH，促卵泡激素；GnRH，促性腺激素释放激素；LH，促黄体生成素。

与雌性生殖系统的菌群相比，雄性生殖系统中的菌群群受到的关注较少。系统的微生物群。检测技术的进步证明了精液中的微生物群的存在；并且Lactobacillus在正常精液中占主导地位。精液中Mycoplasma，Neisseria和其他致病菌的丰度增加，以及Lactobacillus的丰度减少会导致精子密度和活力下降，畸形精子数量增加，以及精液高粘血症的出现。Alfano等人(2018年)报告存在着睾丸微生物群：Actinomycetes、Firmicutes和Bacteroides在正常睾丸组织中占主导地位，而生殖细胞再生障碍患者睾丸微生物群的多样性和丰富度降低。此外，有证据表明，肠道微生物影响精子质量。特别是，将高脂肪饮食小鼠的粪便微生物移植给正常小鼠，会导致正常小鼠肠道中Bacteroides和Prevotella的丰度增加，同时正常小鼠生精小管中精母细胞和精子数量减少；这些变化与精子质量和数量的下降有关。总的来说，菌群参与精子生成，并影响精子质量和活力。然而，菌群在其他雄性生殖器官中的存在和作用还不确定。菌群在雄性生殖器官发育中的作用也有待进一步研究。

阴道、子宫和卵泡液中的微生物群与雌性的生殖能力之间也存在较强的相关性。阴道微生物群的改变导致阴道感染和妇科疾病的发病的风险增加。此外，阴道中的致病菌可以上升到子宫，诱发子宫功能紊乱。因此，阴道微生物群的破坏会降低雌性的生育能力并导致有害的妊娠结局。子宫内的共生细菌在生殖中发挥着有益的作用。一般来说，微生物对免疫反应有广泛的影响。宿主共生细菌和子宫内膜的免疫细胞之间存在着复杂的相互作用，这有助于调节子宫内膜免疫。子宫内膜免疫状态的局部变化对于减少子宫对胚胎的排斥，从而促进胚胎附着可能是必要的。健康的子宫内膜微生物群对胚胎植入和妊娠维持至关重要。此外，微生物的异源定植会刺激炎症并增加疾病的易感性。子宫微生物群可能作为抵抗病原体入侵子宫的屏障。Lactobacillus spp.已被证明可以抑制Neisseria gonorrhoeae对子宫内膜上皮细胞的粘附，并降低淋球菌感染的风险。子宫微生物的定植也受到肠道微生物的影响。肠道到子宫细菌迁移的增多，增加了子宫内膜异位症的发病率。子宫微生物群也可能有助于子宫内膜的形态发育和粘膜屏障调节，但其具体机制和功能尚未完全阐明。卵泡液中也存在微生物，它们对生殖有各种影响。例如，卵泡液中Lactobacillus spp.的存在与良好的胚胎移植结果相关，而Enterobacter spp.或Streptococcus spp.的存在则与怀孕率降低和流产率增加有关。到目前为止，关于卵泡液微生物群影响卵子细胞的发育和排卵相关机制的研究还很少。其他生殖器官中微生物群与卵泡液微生物群之间的关系也需要在未来的研究中进一步探索。此外，胎盘中是否存在微生物群一直保有争议。Aagaard等人(2014年)研究认为，人类胎盘中存在着微生物群，尽管其相对丰度较低，但其代谢能力很高。此外，Burkholderia spp.在早产孕妇的胎盘中富集，而Paenibacillus spp.则在足月生产孕妇的胎盘中富集。相反，de Goffau等人(2019年)报告称，人类胎盘中不存在常驻微生物群；但胎盘中可能会出现病原体，导致胎盘感染和不良妊娠结局。总之，关于胎盘中是否存在常驻微生物群还有待进一步研究。胎盘微生物与早产之间关系的研究对于揭示胎盘微生物的功能也有很大帮助。同时，对胎盘微生物的研究还将有助于探究生命早期微生物群的形成以及各种微生物在生命发育中的作用。胎盘微生物对妊娠的影响及机制探究还需更系统地探究。

菌群在精子、睾丸、肠道、卵巢、子宫、阴道和胎盘的发育和功能方面具有调节作用；它们影响免疫系统、代谢、生殖相关激素、神经系统、基因表达模式和表观遗传学(图2)。

图2. 菌群失调对生殖潜能和妊娠的影响。肠道、睾丸和精液微生物群失调导致过氧化损伤和精子DNA损伤，精子膜不对称丢失，以及线粒体膜电位的降低。睾丸菌群紊乱导致精子发生缺陷和睾丸发育不良。肠道菌群的改变可导致合成代谢异常并刺激免疫反应，进而影响睾丸和卵巢功能。雌性生殖道菌群的破坏可以损害卵母细胞的发育和成熟；它们还会降低子宫内膜对胚胎的耐受性，并导致阴道pH值升高。此外，雌性生殖道微生物群的变化可导致子宫内膜异位症、BV、不孕症和不良的妊娠结局。胎盘感染会引起胎盘炎症、损害胚胎发育并引发早产。BV，细菌性阴道病；SCFAs，短链脂肪酸。

微生物群是保护身体免受病原体侵害的一道防线，它还可以调控宿主免疫力。此外，肠道微生物群衍生的丁酸盐和丙酸盐能通过抑制调节性T细胞产生和激活巨噬细胞中的核因子κB来发挥抗炎作用。宿主微生物群的失衡会刺激宿主的免疫反应和诱发炎症。肠道中Bacteroidetes的丰富程度与血清内毒素浓度呈正相关。值得注意的是，肠道菌群紊乱与循环内毒素水平升高、肠道粘膜屏障受损、Toll样受体(TLR)4途径激活以及附睾、睾丸和精浆中促炎症趋化因子的上调有关。炎症反应还可能通过破坏氧化还原系统的平衡而影响细胞状态，这可能导致精子细胞活力下降。精液中E. coli、Campylobacter ureolyticus以及其他致病菌丰度的增加，导致精子膜磷脂的不对称丢失，精子膜脂质的过氧化损失，线粒体膜电位降低，以及DNA断裂碎片增加。病原体可能通过促炎症细胞因子的产生破坏精子膜的完整性和线粒体的功能，并造成精子DNA损失；这种变化降低了精子的活力和运动能力，以及精子对卵母细胞的渗透能力。炎症因子还刺激了子宫收缩，干扰精子在输卵管中的移动。子宫、输卵管和阴道中菌群的改变会导致促炎细胞因子表达水平增加，干扰受精过程和子宫内膜对胚胎的耐受性，对胚胎的植入和发育产生影响；这种变化可导致早产和流产等不良的妊娠结果。绝经后女性进行阴道益生菌治疗可以增加Lactobacillus spp.的丰度，并减少BV相关微生物的丰度；它们还可以影响白细胞介素5和18、TLR2和中枢炎症介质补体受体1等基因的表达水平。总而言之，共生微生物群的成员可以抵御外界致病菌的入侵；这些物种是免疫系统的重要组成部分。此外，菌群组成对免疫系统有调节作用。菌群失调会增强炎症反应，改变配子发育以及胚胎的植入和发育，从而对生殖潜力和妊娠产生负面影响。

肠道菌群可能通过改变消化和能量吸收，来促进宿主代谢的变化。此外，肠道菌群的多样性对于通过影响代谢反应来调节细胞状态的酶的生产是必不可少的。肠道菌群的失衡和微生物基因含量低与各种代谢紊乱和炎症表型有关。Le Chatelier等人(2013年)在一项关于人类肠道菌群的研究中，证明了微生物丰富度低的个体更容易患肥胖症和高脂血症。微生物群和微生物代谢物通过影响代谢，来调节生殖内分泌功能。例如，细菌表达的7α-羟类固醇脱氢酶参与初级胆汁酸向次级胆汁酸的转化，从而影响体内的胆固醇代谢。此外，肠道菌群的紊乱会破坏葡萄糖稳态，改变胆汁酸代谢，刺激免疫反应，并导致胰岛素抵抗。胰岛素水平的增加有助于黄体生成素受体表达水平的提高，并诱导肾上腺分泌雄激素，进而影响卵巢功能和发情周期。胆汁酸水平的下降会干扰维生素A的吸收，而维生素A对减数分裂的启动是必不可少的。Zhang等人(2021)表明，肠道菌群失调可以改变维生素A代谢，从而导致精子发生障碍和生精细胞数量减少。肠道微生物还参与支链氨基酸(BCAA)的合成。Prevotella copri 和Bacteroides vulgatus的丰度与血清BCAA水平呈正相关。与健康对照组相比，多囊卵巢综合征(PCOS)患者的卵泡液中的BCAA水平显著增加；BCAA水平的升高可能会损害胰岛素信号并影响生殖细胞的代谢和细胞状态，导致妊娠率降低。此外，短链脂肪酸(SCFAs)是由肠道微生物群的代谢产物；SCFAs可以抑制促炎因子的释放。因此，产生SCFA的微生物减少可能导致更强烈的炎症反应，引起卵母细胞发育和成熟受损。此外，Chen等人(2020)报告说，肠道菌群失调导致血压升高。Fusobacteria spp.的异常移位破坏了肠道屏障和胎盘的平衡，导致胎盘炎症的加重和先兆子痫的发生。Zhang等人(2022)也报道了，粪便微生物移植引起睾丸脂质代谢的变化，增加了与精子质量呈正相关的睾丸代谢物水平，有助于恢复精子生成。总的来说。肠道菌群富含大量的基因组，在宿主的能量吸收和身体代谢中发挥着重要作用。菌群失调会导致代谢紊乱，刺激炎症反应，破坏肠道屏障，扰乱内分泌功能，并导致宿主生殖能力和胎儿发育受损。微生物群对宿主代谢组的影响，以及代谢组改变影响生殖的机制还需要进一步的研究来阐释。

微生物群有丰富的基因组，有时被看作是额外的内分泌器官。此外，微生物群的成员在类固醇合成中具有催化和调节的作用，它们对体内激素的合成至关重要。菌群失调可能通过影响激素信号的影响，导致各种生殖疾病。

雌激素在雌性生殖中起着核心作用。雌激素水平的改变介导了各种相关疾病的发生。例如，雌激素过高会刺激生殖道上皮细胞过度增殖，引发子宫内膜异位等增生性疾病。肠道微生物群是影响雌激素水平的主要因素之一。肠道微生物群的多样性和组成可能是通过影响肠肝循环，调节着非卵巢雌激素的水平。据报道，肠道微生物群多样性较高的女性，其尿液中羟基化雌激素与母体雌激素(即雌酮和雌二醇)的比值更高。这可能是由于肠道微生物群多样性降低会导致β-葡萄糖醛酸酶的分泌减少，该酶将雌激素代谢为去结合的形式。只有去结合形式的雌激素才能与雌激素受体结合并诱导其激活。因此，假设肠道微生物群通过影响β-葡萄糖醛酸酶的分泌来调节雌激素的生物活性；这种变化干预由雌激素介导的各种生理过程。在类似的情况下，将正常小鼠的粪便微生物移植给卵巢切除小鼠，导致阴道上皮中主要雌激素受体的表达上调，这有助于逆转阴道萎缩。在一个斑马鱼模型中，用Lactobacillus rhamnosus治疗增加了瘦素基因在大脑中的表达，从而通过调节性腺类固醇的合成来影响卵巢功能。微生物群介导的雌激素合成、代谢和结合的调节，可能为雌激素活性异常介导的生殖疾病和代谢疾病的治疗提供了有效手段。

雄性激素水平的改变与肠道微生物群的破坏有关。Insenser等人(2018年)观察到，与健康对照组女性相比，PCOS患者Catenibacterium spp.和Kandleria spp.的相对丰度增加，以及雄激素浓度的升高。这一发现表明，Kandleria spp.的丰度 与循环雄激素正相关。与肠道微生物群与雄激素水平相关的概念相一致，PCOS大鼠在移植了健康大鼠的粪便微生物后，雄激素合成的异常得到了改善。Ridlon等人(2013年)报告说肠道微生物Clostridium scindens参与雄激素的合成，例如它促进了胆汁酸和糖皮质激素到雄激素的转化。相反，Proteobacteria spp.参与雄激素的降解。此外，在Comamonas testosteroni中还鉴定出许多参与类固醇信号级联反应的基因。其中，3α-羟基类固醇脱氢酶是雄激素代谢的关键。睾丸激素对促进雄性生殖器官发育和维持雄性第二性征至关重要。肠道微生物群α多样性与睾丸激素水平之间呈正相关。此外，将成熟雄性小鼠的肠道微生物移植给未成熟雌性小鼠，会引起受体睾酮水平的增加。微生物群和雄激素之间关系的研究可以为通过调节微生物群的多样性和组成，来控制雄激素水平提供思路。

脂多糖是革兰氏阴性细菌细胞壁的主要成分。在小鼠模型中，发现脂多糖处理可以改变卵泡刺激素和促黄体素的分泌；它还干扰了卵巢和胚胎的激素受体。在存在于革兰氏阳性菌细胞壁的肽聚糖的体外分析显示，它抑制了孕酮和雄烯二酮的分泌；并降低了类固醇合成酶的表达。

到目前为止的文献已经证明，菌群和内分泌系统之间存在复杂的相互作用。菌群紊乱或细菌感染会影响激素的合成和分泌，干扰激素功能，并降低生育能力。更多地了解微生物群对激素的影响，以及通过控制微生物群来调节激素水平的能力，可以帮助改善繁殖力和治疗生殖系统疾病。

微生物群可以调节宿主的情绪。Goehler等人(2008)报道，Campylobacter jejuni感染的小鼠表现出明显的焦虑样症状。此外，Crumeyrolle-Arias等人(2014)发现，肠道微生物群缺乏的大鼠比无菌大鼠对急性应激反应更敏感，有更多的焦虑样行为。这可能是因为肠道细菌会影响宿主的应激激素(如儿茶酚胺)的水平。应激激素会刺激免疫反应，导致神经疾病的易感性增加。最近，一项研究发现，肠道微生物衍生物可以影响生长激素分泌受体(GHSR)-1a的信号传递。GHSR-1a 是一个在肠脑轴中广泛表达的G蛋白偶联受体，调节大脑中的多种信号传导过程，以应对大脑对食欲、情绪、压力和神经肽释放的反应。这表明肠道微生物群 可以通过控制GHSR信号来影响神经系统。SCFAs可能干扰G蛋白偶联受体或组蛋白去乙酰化酶来影响情绪，并且也可能通过免疫、体液、激素或神经系统调节大脑功能。值得注意的是，肠道菌群紊乱会导致微生物群和神经系统之间相互作用的改变，以及心理问题(例如，抑郁症或焦虑症)的发展。LaGamma等人(2021年)还报告了肠道菌群耗竭小鼠的肾上腺素释放减少。重要的是，肾上腺素参与了促性腺激素释放激素和黄体生成激素水平的调节。其他儿茶酚胺类物质也影响促性腺激素释放激素的分泌、性行为和生殖疾病的发展。另一个菌群影响的潜在途径涉及瘦素，瘦素是一种将营养状况传递给控制生殖过程的大脑神经元的代谢信号。据报道，肠道微生物多样性和特定物种的丰度影响血清瘦素水平。瘦素进一步通过GABA能AgRP神经元影响下丘脑-垂体-性腺轴。推测肠道菌群通过影响瘦素信号来调节生殖功能。菌群失调与心理问题(例如，交配困难和性欲下降)之间的潜在关系需要进一步研究。目前还没有关于微生物群对性欲影响的数据。此外，还需要进一步探索微生物群与神经系统之间相互作用的机制；这些研究的结果可能有助于理解肠道-大脑轴，并为心理疾病提供新的治疗方法。

微生物群改变引起的基因表达的变化，可能影响生殖细胞产生和胚胎形成等多个过程，进而导致生殖能力的变化。结构染色体序列基因和Sycp序列基因在姐妹染色体的形成，以及DNA双链断裂和修复中具有关键作用。高脂饮食诱导的菌群失调会降低结构染色体的表达，导致小鼠精子发生缺陷。Crisp2基因对精子获能和运动过程中Ca⁺通透性的调节至关重要。有临床证据表明，高脂饮食引起的菌群紊乱也会改变Crisp2基因的表达，从而影响精子活力。此外，由高脂饮食粪便微生物移植导致的微生物变化，改变了编码泛醌氧化还原酶的核心亚基基因的表达模式，这可能会阻碍线粒体的氧化磷酸化并影响精子运动能力。Zhang等人(2022)报道粪便微生物移植改善了睾丸中与精子生成有关的基因表达水平。此外，Xie等人(2016a)发现，肥胖小鼠盲肠中Lachnospiraceae spp.丰度增加影响了卵巢中Bnc1、Pou5f1和Dppa3的表达水平；损害了卵母细胞发育。在一个斑马鱼模型中， L. rhamnosus的存在与与诱导卵母细胞成熟的基因转录增加，而阻止卵泡发育的基因转录减少有关。在另一项饲喂L. rhamnosus的小鼠研究中，卵泡自噬相关的基因被上调，从而减少了这些卵泡的凋亡。最后，在斑马鱼中补充L. rhamnosus增加了促性腺激素释放激素mRNA的表达量和一种通过靶向Sox9基因来调节睾丸分化中的染色体控制的转录因子β-catenin的稳定性。总而言之，菌群影响许多与配子形成和发育相关的基因表达模式；微生物群组成的改变将导致生殖能力受损。有益的微生物群可以促进配子发育和成熟，调节性腺发育，从而提高生殖能力。在未来，对微生物和遗传学之间相互作用的理解的提高，有助于指导基于微生物群在基因层面上治疗生殖疾病。

微生物群可以影响表观遗传调控。Gury-BenAri等人(2016)报道，抗生素介导的微生物耗竭会导致小鼠先天性淋巴细胞表观基因组的变化。这可能是因为肠道菌群可以合成和分泌许多代谢物，如维生素和SCFAs。维生素B6和B12参与碳代谢，并作为甲基供体参与表观遗传学的调节。SCFAs和维生素B3和B5是乙酰CoA或NAD⁺的来源，这两者都影响组蛋白去乙酰酶的活动。此外，肠道菌群产生的琥珀酸是一种组蛋白去甲基化酶的抑制剂；这种抑制剂会引起组蛋白和DNA甲基化的变化。此外，饮食和肠道菌群之间复杂的相互作用可以引起表观遗传活动的改变，从而影响到生殖过程(例如，精子发育、胚胎植入和发育)。菌群可能参与了饮食介导的表观遗传变化造成的生殖相关改变。推测高脂饮食 破坏了肠道微生物群的平衡，导致微生物代谢物的变化，改变了表观遗传活动，从而影响生殖过程。微生物群介导的基因表达的改变也可能影响到表观遗传活动。Deshpande等人(2020)证明，通过限制肥胖雄性大鼠卡路里的摄入来改变表观遗传学活动，导致了生殖能力的部分恢复。到目前为止，是否可以通过治疗菌群失调(如补充有益菌或粪便微生物移植)调控表观遗传学，进而提高生殖能力还是未知的。因此，需要进一步研究有关微生物群可能通过表观遗传学修饰影响生殖的机制。

菌群的组成受到环境和宿主因素的影响(图3)。

大多数关于菌群的研究都集中在单一器官上。对宿主整个生殖系统中菌群之间的相互作用的研究较少。未来应该更多地研究各器官中微生物群之间的串扰，以及由性活动介导的菌群交换对伴侣及其后代的影响。尽管菌群对神经系统影响的研究越来越多，但菌群是否对性欲有调节作用仍是未知数。因此，有必要研究是否可以通过微生物群的控制来提高性欲，从而有可能改善生育能力。此外，胎盘中常住微生物群的存在一直存在争议；进一步研究去克服胎盘微生物取样困难以及取样和测试过程中的污染是必要的。最后，菌群及其代谢物在表观遗传调节中的作用机制，以及基于微生物群来预防、监测和治疗生殖系统疾病的方法还需进一步研究。