文獻分享 | Cell Metabolism 腸道菌群相關代謝物--膽汁酸生物學功能
腸道微生物群被認為是一種代謝器官，產生大量的代謝物（短鏈脂肪酸、膽汁酸、吲哚衍生物等），這些代謝物通過其同源受體發出信號來調節宿主的代謝。膽固醇在肝臟中由酶氧化產生大量不同的膽汁酸，并由腸道微生物群在腸道中代謝，它既是促進消化和吸收膳食脂肪的洗滌劑，又是激活不同受體的激素。這些受體的激活改變了多個組織中的基因表達，改變了膽汁酸代謝、葡萄糖穩態、脂質和脂蛋白代謝、能量消耗、腸道運動和細菌生長、炎癥、肝臟再生和肝癌的發生等。本文著重介紹膽汁酸在體內的代謝過程和涉及的信號通路及功能。
肝臟：膽固醇代謝生成膽汁酸膽汁酸的形成比較復雜，涉及的催化反應包括了至少17種不同的酶。膽汁酸的合成發生在肝臟，可通過兩種不同途徑來完成。經典（或中性）途徑是膽固醇經膽固醇-7α-羥化酶（CYP7A1）催化生成7α-羥基膽固醇，進一步催化生成膽酸（CA）和鵝去氧膽酸（CDCA），CYP7A1是整條途徑的限速酶，決定膽汁酸生成量，在正常條件下至少75%的膽汁酸通過該途徑產生。替代（或酸性）途徑則由甾醇-27-羥化酶（CYP27A1）催化生成27-羥基膽固醇進一步被氧甾醇-7α-羥化酶（CYP7B1）催化生成CDCA，人和老鼠通過該途徑分別產生總膽汁酸量的9%和25%。
已有研究表明腸道微生物群可調節CYP7A1、CYP7B1和CYP27A1酶的表達。值得注意的是，替代途徑主要產生CDCA，而經典途徑產生CDCA和CA，兩種初級膽汁酸的比例由合成CA所必需的甾醇-12α-羥化酶（CYP8B1）決定，該酶不受微生物調節。除CA和CDCA外，小鼠還產生初級膽汁酸MCAs（主要是β-MCA）和熊去氧膽酸（UDCA），而在人類中，UDCA是次級膽汁酸， MCAs通常檢測不到。膽汁酸的化學結構既有疏水的甾環，又有親水的羥基或者氨基酸側鏈。這種兩性結構使得膽汁酸具有洗滌劑性質便于形成膠束，促進小腸脂類和脂溶性維生素A、D、E和K的消化吸收，按親脂性排序依次為：LCA > DCA >CDCA > CA > UDCA > MCA。在排泄到膽汁并進一步通向十二指腸之前，肝臟膽汁酸C-24位通過兩步反應與甘氨酸或牛磺酸結合，這個過程降低了膽汁酸pKa，同時增加其溶解度。然而，與能擴散穿過細胞膜的非結合型膽汁酸不同，膽汁鹽需要跨膜轉運蛋白才可以穿過膜。結合型膽汁酸通過膽鹽輸出泵（BSEP）主動運輸到膽汁中，并儲存在膽囊內，直到進食后釋放到十二指腸。人體中膽汁酸主要與甘氨酸結合，牛磺酸結合程度較小，而小鼠和大鼠中膽汁酸幾乎完全與牛磺酸結合。大約95％的膽管分泌的膽汁酸從腸道重新吸收，主要是以結合型膽汁酸的形式在回腸末端通過鈉依賴性膽汁酸轉運蛋白（ASBT，也稱為IBAT），經門靜脈循環至肝臟，再由肝臟分泌，這個過程稱為膽汁酸腸肝循環，在人體內每天大約發生六次。
腸道：膽汁酸的微生物代謝大多數（95％）膽汁酸通過腸細胞的頂膜鈉依賴性膽鹽轉運體（ASBT）在回腸末端被重吸收。腸道膽汁酸結合蛋白（IBABP /脂肪酸結合蛋白亞類6 / FABP6）可以促進膽汁鹽通過腸上皮細胞轉運到基底外側膜，并通過異二聚體轉運蛋白OSTa / OSTb入血。微生物去結合（即去除甘氨酸或牛磺酸綴合物）防止膽汁酸通過ASBT從小腸中主動再攝取。膽汁酸去結合過程由具有膽汁鹽水解酶（BSH）活性的細菌主導的。宏基因組學研究表明功能性BSH存在于人類腸道所有主要細菌和古菌種中，包括乳酸桿菌、雙歧桿菌、梭菌和擬桿菌等。與其他微生物生態系統相比，BSH在腸道微生物中富集，并與膽汁毒性的抗性增加有關。未被ASBT重吸收的初級膽汁酸進入結腸，通過7-脫羥基代謝成次級膽汁酸：來自CDCA的石膽酸（LCA）和來自CA的脫氧膽酸（DCA）（Figure 1）。鼠α-MCA和β-MCA發生相同反應生成鼠去氧膽酸（MDCA）。Omega-MCA（ω-MCA）是β-MCA主要代謝產物，通過6β-差向異構化形成。β-MCA還可通過6β-差向異構化和額外的7β-脫羥基作用形成豬去氧膽酸（HDCA），以及通過6β-差向異構化和進一步的7β-差向異構化形成豬膽酸（HCA，也稱為γMCA）。
人體中的UDCA是由梭狀芽胞桿菌將CDCA經過7α/β-異構化形成的。進一步經過3α/β-羥基和5-Hβ/α異構化分別生成異膽酸和別膽酸。7-脫羥基過程由細菌與膽汁酸誘導的基因進行多重反應。能夠產生次級膽汁酸的細菌屬于厚壁菌門，分別為梭菌屬（XIVa和XI簇）和真桿菌屬。另一種膽汁酸微生物轉化是生成氧-（或酮-）膽汁酸，由含有羥基類固醇脫氫酶（HSDHs）的細菌將3,7或12環位的羥基氧化生成，含有羥基類固醇脫氫酶（HSDHs）的細菌屬于放線菌門、變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門。這些氧化反應是可逆的，最終可導致差向異構化。
膽汁酸的微生物代謝增加了膽汁酸多樣性及膽酸池的疏水性，有利于促進膽汁酸的糞便排泄，菌群產生的次級膽汁酸量約為膽汁酸總量的5％。其中一小部分去結合次級膽汁酸也可通過被動擴散作用從腸道重吸收，并在腸肝循環中富集并充當宿主中的信號分子。不同條件下的小鼠糞便ω-MCA，MDCA和HDCA水平有很大差異，這可能歸因于腸道微生物群組成的差異改變了膽汁酸的微生物修飾，但人類腸道微生物群不能代謝β-MCA。小鼠和人類不同的膽汁酸譜通過膽汁酸受體改變信號傳導，因此從小鼠研究結果轉化到人類時需要謹慎對待。值得注意的是，異膽汁酸存在于人類血清和尿液中，特別是在結腸和糞便中，其中iso-LCA和iso-DCA是僅次于LCA和DCA的第二豐富的膽汁酸，在某些個體中濃度分別達到290和390 μM。產生異膽酸的細菌包括遲緩真桿菌和產氣莢膜梭菌，iso-DCA不僅由遲緩真桿菌產生，產氣莢膜梭菌也能產生。研究顯示iso-DCA有利于擬桿菌屬生長，提示微生物HSDH可作為腸道微生物組成和宿主代謝的潛在調節因子。
由于有限的膽汁酸標準品和部分膽汁酸的含量微乎其微，常規和高級膽汁酸的分析中不可能檢測到所有的膽汁酸形式。另外，由原始5β-H位置脫羥基作用/消除反應產生的5α-H（''allo''）膽汁酸的報道很少，有待進一步挖掘。法尼酯X受體(FXR)與膽汁酸膽汁酸的合成受到核受體FXR負反饋抑制調節，FXR是一種與啟動子區域結合并啟動多種靶基因表達的轉錄因子，在多種組織中均有表達。FXR高表達且研究最多的是肝臟和回腸。FXR在腎臟中也有相當高的表達水平，而在心臟、卵巢、胸腺、眼睛、脾臟和睪丸中表達水平較低。
FXR在膽汁酸調節中的方式有兩種，其一，膽汁酸激活肝臟FXR誘導小異二聚體伴侶(SHP)分子的表達，SHP與肝受體同源蛋白-1 (LRH-1)結合，從而抑制Cyp7a1基因的表達（Figure 4）。其二，除了肝臟局部作用外，遠端回腸中FXR也可被膽汁酸激活，誘導FGF15（人類為FGF19）表達。FGF15/19通過門靜脈到達肝臟，與FGF受體4（FGFR4）/b-klotho異二聚體復合物結合，觸發JNK1/2和ERK1/2信號級聯反應抑制Cyp7a1的表達（Figure 4）。組織特異性FXR缺陷小鼠研究表明回腸FXR激活抑制Cyp7a1介導的膽汁酸合成比肝FXR激活更強，而肝臟FXR可能調控Cyp8b1改變CA合成。
FXR最有效的配體是CDCA，其次是CA、DCA和LCA。UDCA不激活FXR，它反而抑制FXR活化。最近，小鼠牛磺酸結合的初級膽汁酸Tα-MCA和Tβ-MCA已被確定為天然存在的FXR拮抗劑。GF小鼠Tβ-MCA積累，FXR信號減弱，膽汁酸合成增加，Tβ-MCA在沒有細菌的情況下不能代謝。研究發現微生物群以FXR依賴性方式調節膽汁酸的代謝和合成。微生物群不僅能代謝膽汁酸，還可調控FXR信號途徑。微生物群通過將FXR的拮抗劑Tβ-MCA去結合，從而促進小鼠FXR信號傳導，并產生作為TGR5配體的二級膽汁酸。此外，FXR激活還可以誘導其他轉運體BSEP/ABCB11、MDR3/MDR2/ABCB4、ABCG5/ABCG8的表達影響膽汁酸代謝。微生物群和膽汁酸之間的相互作用并不是單向的。
膽汁酸通過促進膽汁酸代謝細菌的生長和抑制其他膽汁敏感菌的生長來重塑腸道微生物群落。研究表明，阻止膽汁流入腸道引發的膽道阻塞會導致小腸內細菌過度生長和移位，這種表型可通過膽汁酸給藥逆轉。這也證明了膽汁酸不但能通過破壞細菌細胞膜發揮直接抗菌作用，而且還間接通過FXR誘導宿主免疫系統影響腸道微生物群的抗菌藥物（如iNOS和IL-18）的轉錄。膽汁酸作為信號分子和FXR在肝臟、小腸等代謝活躍組織中表達的重要性已經引起了人們對FXR在代謝疾病中作用的極大興趣。然而，FXR缺乏小鼠進行的實驗有時會產生相互矛盾的結果，顯然飲食以及動物飼養環境之間存在微生物群差異，可能會導致不同的表型。Fxr缺乏的小鼠喂養正常飼料容易發生高血糖和高膽固醇血癥，而Ldlr-/-背景下的Fxr缺乏小鼠喂養高脂飲食可改善脂質代謝，并對飲食誘導的肥胖和動脈粥樣硬化具有保護作用。相比之下，Apoe-/-基因背景下的Fxr缺陷小鼠更容易出現動脈粥樣硬化。
總體而言，與對照組小鼠相比，Fxr缺陷小鼠喂食高脂飲食或有肥胖遺傳背景 (ob/ob)的小鼠似乎可以預防肥胖，并改善葡萄糖穩態。因此，FXR與特定營養素之間關系值得進一步研究。此外，FXR在腎臟近端和遠端集合管細胞均有表達，所以其在膽汁酸代謝中的作用還需進一步研究。綜上所述，FXR在肝細胞和腸細胞中表達，其作用是監測細胞膽汁酸/鹽水平，調節相關基因表達以維持膽汁酸/鹽的腸肝循環，防止細胞內膽汁酸積累到毒性水平。FXR除了調節膽汁酸穩態外，還可以調節血漿脂蛋白、葡萄糖、脂肪變性、炎癥、細菌生長和肝再生等過程。
G蛋白偶聯受體TGR5與膽汁酸TGR5是另一種膽汁酸受體，是一種G蛋白偶聯受體(GPCR)，在肝非實質細胞（膽管細胞、竇內皮細胞、Küpffer 細胞及免疫細胞）表達，也在胎盤、肺、脾、腸、棕白色脂肪組織、骨骼肌、骨髓中表達。TGR5主要由疏水性次級膽汁酸LCA和DCA激活，是微生物與膽汁酸相互作用的另一個靶點（Figure 4）。TGR5的激活導致受體內化，環磷腺苷（cAMP）水平升高，蛋白激酶A活化，導致靶蛋白磷酸化水平增加，包括cAMP效應元件結合蛋白(CREBP)轉錄因子。這種活化引起的結果是廣泛的且具有細胞特異性，包括巨噬細胞中抗炎作用，增加褐色脂肪組織能量消耗，改善葡萄糖代謝和胰島素敏感性，膽囊松弛，增加腸道運動。TGR5缺陷小鼠沒有明顯的異常表型且具備生育能力，但其膽汁酸池減少，表明TGR5在膽汁酸穩態中具有一定作用，但尚不清楚是TGR5的直接影響還是通過FXR介導的。另外，目前尚不清楚FXR和TGR5是否通過微生物群和膽汁酸代謝的改變直接或間接產生其他受體激動劑或拮抗劑。
孕烷X受體與維生素D受體孕烷X受體(PXR/NR1I2)在肝臟和腸道中高度表達，在其他組織中水平較低。與激活FXR的膽汁酸不同，PXR由肝毒性膽汁酸LCA和3-keto-LCA (EC50 10 mM) 激活，對CDCA、DCA、CA無應答。激活的PXR誘導I-III期基因參與多種代謝物代謝、運輸和排泄過程，包括外源性物質和有毒膽汁酸，如LCA。然而，LCA或3-keto-LCA激活肝臟和腸道PXR的重要性仍有待確定。最近的研究報告顯示，由于NFkB的表達減弱和炎癥細胞因子的表達減少，腸道PXR對炎癥性腸病具有保護作用，但是膽汁酸是否能提供類似的PXR依賴性保護作用來對抗炎癥性腸病仍需要進一步研究。維生素D受體(VDR/NR1I1)在多個組織中表達包括腎、腸和巨噬細胞，調控許多生理和藥理過程，這些過程不僅包括骨骼和鈣代謝，還包括免疫、細胞生長和分化。
VDR最有效的內源性激動劑是1,25-二羥維生素D3(1,25-diOHD3)。但具有肝毒性膽汁酸LCA和3-keto LCA被證明也可以激活VDR靶基因，包括CYP3A家族成員，這些基因參與了LCA和其他毒素代謝，生成毒性較低的生物非活性產物。總結了膽汁酸與腸道菌群及宿主之間的相互作用，微生物群可直接或間接通過膽汁酸調節FXR和TGR5的信號傳導。膽汁酸受體FXR和TGR5已成為代謝疾病的轉化和介入研究的主要靶點。
因此，了解腸道微生物群及其對膽汁酸代謝和信號傳導的影響可能有助于解釋臨床前數據。然而，人和鼠膽汁酸具有顯著不同的信號傳導特性，并且缺乏豐富和/或表征的膽汁酸代謝物可能影響獲得結論的正確性。微生物群的差異也可以解釋個體對膽汁酸衍生藥物的不同反應，對微生物群更深入的了解可以識別出對治療有積極反應的個體和有不良反應的個體。
針對微生物群、膽汁酸和FXR和/或TGR5信號之間的相互作用似乎發展成為治療代謝疾病極具應用前景的途徑，表2列舉了目前已開展臨床實驗的膽汁酸相關制劑，但仍需要更多的研究。
參考文獻1. Wahlström A, Sayin S I , Marschall H U , et al. Intestinal Crosstalk between Bile Acids and Microbiota and Its Impact on Host Metabolism. Cell Metabolism, 2016, 24(1):41-50.2. Q. de Aguiar Vallim T , Tarling E , Edwards P . Pleiotropic Roles of Bile Acids in Metabolism. Cell Metabolism, 2013, 17(5):657-669.
文章轉自醫學科普顧事
