動物膽汁酸代謝與腸道微生態(tài)的互作關系

孔祎頔，李 民，王桂芹

（吉林農業(yè)大學動物科學技術學院，動物生產及產品質量安全教育部重點實驗室，吉林長春 130118）

膽汁酸（Bile Acid，BA）是由動物肝臟中的膽固醇合成的兩性化合物，在腸肝循環(huán)中可促進腸道對脂質和維生素的消化吸收，提高機體免疫功能，維持機體健康[1-2]，最重要的是BA與其相關受體結合后調節(jié)BA代謝，同時可作為關鍵信號分子調節(jié)葡萄糖、脂類和能量代謝[3-4]。BA通過激活法呢醇X受體（Farnesoid X receptor，FXR）、成纖維細胞生長因子受體4（Fibroblast Growth Factor Receptors 4，FGFR4）和G蛋白偶聯受體（Cell Membrane Surface Receptor-G Protein Coupled Receptor，TGR5）等多種膽汁酸受體來維持肝腸循環(huán)穩(wěn)態(tài)[5]。

近年來，腸道微生態(tài)已成為各領域的研究熱點之一。腸道菌群變化對宿主的健康狀態(tài)至關重要，它不僅參與調節(jié)宿主的營養(yǎng)和代謝，促進機體免疫功能，而且在保護機體免受外來物質侵襲等方面發(fā)揮巨大的作用[6-7]。BA與腸道菌群之間存在密不可分的雙向調控關系。當BA通過擴膜運輸進入腸道時，正常菌群會將其進行生物轉化；同時，BA也會通過調控動物機體的炎癥反應，影響腸道菌群組成，進而提高機體免疫功能[8]。反之，腸道菌群數量及組成的變化會影響B(tài)A的合成、代謝。此外，腸道菌群還可通過FXR、FGFR4和TGR5等膽汁酸受體來調節(jié)BA代謝[9]。本文綜述了BA代謝與腸道菌群之間的互作關系，為進一步研究動物肝腸循環(huán)BA代謝奠定理論基礎，為防控動物肝腸膽相關疾病提供理論依據。

1 BA代謝

1.1 BA的肝腸循環(huán) BA的肝腸循環(huán)對營養(yǎng)物質的吸收以及隨膽汁消化排泄的脂質、毒性代謝產物和外源性物質都有重要的生理作用。同時，BA的肝腸循環(huán)使肝臟內BA的合成和腸道內BA的重吸收發(fā)揮協(xié)同作用，共同維持機體BA的代謝穩(wěn)態(tài)[10]。

1.1.1 BA的合成 BA通過經典途徑和替代途徑由膽固醇合成。膽固醇7α-羥化酶（Cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1）、甾醇12α-羥化酶（Sterol 12α-hydroxylase，CYP8B1）和甾醇-27羥化酶（Sterol 27-hydroxylase，CYP27A1）等至少17種酶在BA合成過程中共同起重要調節(jié)作用[11-12]。在肝細胞中，經典途徑是BA合成的主要途徑，CYP7A1是BA合成的經典途徑中的第一個限速酶，膽固醇在CYP7A1的作用下生成7α-羥固醇，再通過CYP8B1的作用形成膽酸（Cholic Acid，CA），合成了膽汁酸池中的大部分BA；另一方面，在組織或巨噬細胞中，替代途徑由膽固醇通過CYP27A1和氧固醇7α-羥化酶（Oxysterol 7α-hydroxylase，CYP7B1）限速催化形成鵝脫氧膽酸（Chenodeoxycholic Acid，CDCA），合成了膽汁酸池中的小部分BA[2,13-15]。而后，所形成的初級膽汁酸被膽汁酸輔酶A合成酶（Bile Acid-CoA Synthase，BACS）和氨基酸N-乙酰轉移酶（Bile acid-CoA amino acid N-acetyltransferase，BAT）激活并與?；撬幔═aurine）或甘氨酸（Glycine）結合生成?；悄懰幔═aurocholic Acid，TCA）或甘氨膽酸（Glycocholic Acid，GCA），增強BA的水溶性，減少對細胞膜的破壞，同時降低了BA的毒性[2,16-17]。

1.1.2 BA的分泌 肝臟內的BA合成后，通過膽鹽輸出泵（Bile Salt Export Pump，BSEP）、多藥耐藥相關蛋白（Multidrug Resistance-Associated Proteins，MRP2）等將?；撬峄蚋拾彼岱置诘侥懼衃12]。BSEP是BA的主要運輸通道，BSEP發(fā)生突變會導致肝臟內膽汁淤積。MRP2主要在肝細胞基底膜上表達，在腸道也有表達，能有效保護肝細胞，促進膽汁分泌[18-19]。合成后的BA貯存在膽囊中，機體攝食后刺激膽囊收縮，將BA釋放進入腸道，以促進機體對脂類和維生素等營養(yǎng)物質的消化和吸收，維持機體的正常生理活動。BA進入腸道后，通過腸道菌群的化學修飾產生游離膽汁酸和次級膽汁酸，如脫氧膽酸（Deoxycholic Acid，DCA）、石膽酸（Lithocholic Acid，LCA）、ω-鼠膽酸（ω-muricholic Acid，ω-MCA）、熊脫氧膽酸（Ursodeoxycholic Acid，UDCA）和豬脫氧膽酸（Hyodeoxycholic Acid，HDCA）等[11]。

1.1.3 BA的轉運、重吸收與外排 進入腸道后，頂端鈉依賴性膽汁酸轉運蛋白（Apical Sodium-Dependent Bile Acid Transporter Protein，ASBP）將95% 左右的BA吸收到腸上皮細胞，并在膽汁酸轉運蛋白（Ileal Bile Acid Transporter Protein，IBAT）的促進作用下，通過肝細胞基底外側膜上的有機溶質轉運蛋白（Organic solute Transporterα/β，OSTα/OSTβ）將大部分BA經門靜脈血液循環(huán)系統(tǒng)被主動重吸收回肝臟[5]。在膽管細胞和腎小管細胞的作用下，僅有約5%的BA未被重吸收而隨糞便、尿液等廢物排出體外，最大限度地減少了BA的外排[11]。其中，約5% 的未被重吸收的BA，仍有一部分會在腸道菌群的作用下，被腸道重新吸收進入肝臟再次得到有效利用[20]。在返回肝臟時，被重吸收的BA通過?；悄懰徕c共轉運多肽（Sodium Taurocholate Cotransporting Polypeptide，NTCP）和有機陰離子轉運蛋白（Organic Anion Transporter Protein，OATP）等作用，在下一個消化代謝反應過程中重新分泌，從而完成BA的肝腸循環(huán)[21-22]。BA的肝腸循環(huán)途徑見圖1。

1.2 BA相關受體及信號通路 BA是代謝途徑網絡的關鍵調節(jié)因子，在肝臟和腸道基因表達中起關鍵作用，并且直接參與復雜的代謝網絡[2]，通過激活在不同細胞類型中表達的特異性受體來引發(fā)BA的生理作用，進而調節(jié)生物的代謝，從而觸發(fā)細胞信號傳導途徑[24]。BA是FXR、FGFR4和TGR5等受體的有效配體，通過這些受體的作用可以產生非基因組效應。

1.2.1 BA介導的FXR信號通路 FXR是參與調節(jié)BA的腸肝循環(huán)和BA生物合成最重要的受體，其在肝臟、腸道、腎臟等組織中高水平表達[25-26]。BA是FXR受體最有效的內源性配體[27]，而FXR受體也是肝臟合成BA的抑制劑，在肝腸循環(huán)BA代謝過程中起重要的調節(jié)作用，能有效控制肝臟和腸道中BA含量[25]。在肝臟中，活化后的FXR通過誘導小異二聚體配偶體（Small Heterodimer Partner，SHP）調節(jié)核孤兒受體肝臟相關同系物1（Liver Related Homologue-1，LRH-1）基因的表達，激活FXR-SHP信號通路，間接影響B(tài)A的分泌，進而影響B(tài)A的合成、轉運等[28]。Murashita等[29]研究發(fā)現，虹鱒（Oncorhynchus mykiss）肝臟中的SHP可通過抑制CYP7A1和CYP8B1基因的表達來抑制BA合成；Modica等[30]研究也表明，FXR可誘導SHP，抑制LRH-1的轉錄和CYP7A1的表達，進而影響B(tài)A合成的負反饋調節(jié)。在腸道中，BA刺激FXR受體，激活FXR-FGF15/19信號通路，介導腸上皮細胞內成纖維細胞生長因子（Fibroblast Growth Factor，FGF15/19）的表達進而影響細胞表面FGFR4受體（Fibroblast Growth Factor Receptors 4，FGFR4）的分泌，從而抑制CYP7A1、CYP8B1等的表達，最終維持機體內BA的代謝穩(wěn)態(tài)[31]。Kong等[32]研究表明，FXR可影響腸道內FGF15的表達水平進而抑制CYP7A1的轉錄，從而影響B(tài)A的合成量，證明FXR-FGF15/19信號通路可在修復肝腸膽相關疾病的過程中發(fā)揮重要作用。綜上，FXR在肝臟與腸道中的2條信號通路協(xié)同，也表明肝和腸中的FXR基因之間存在密不可分的協(xié)作關系。Song等[4]研究報道，BA可激活FXR并增加SHP和FGF15的mRNA表達量，并且認為CA和DCA比CDCA和LCA作為FXR的激動劑效果更好。同樣，多篇文獻也報道了CDCA是FXR最有效的體外激動劑[27,33]。

1.2.2 BA介導的FGFR4信號通路 FGFR4是一類跨膜高親和力酪氨酸激酶受體，通過與FGF15/19結合來介導FGF信號傳遞到細胞質中[34]。有研究稱，FGF15/19-FGFR4信號通路的激活，有助于增加多種細胞的增殖并減少細胞凋亡[35]。FGF15/19是FGF分泌信號分子家族的成員，是一大類生長因子，涉及多種生物反應，尤其在BA生理過程中起著至關重要的作用[36]。目前，已知鼠FGF15和人類（以及斑馬魚）FGF19在氨基酸水平上的同源性相對較高，因此FGF15與FGF19為具有相似功能的同源基因[34]。有研究表明，FXR經BA刺激后介導FGF15/19的表達，激活其受體FGFR4的分泌后，會觸發(fā)肝細胞中ERK1/2和JNK信號通路，從而抑制CYP7A1和CYP7B1的表達，最終影響B(tài)A的生物合成[32,37]。此外，也有研究認為，FGFR4的激活會觸發(fā)磷脂酰肌醇-3激酶（Phosphatidylinositol 3-Kinase，PI3K）信號通路，抑制叉頭框蛋白O1（FoxO1）的表達，進而抑制CYP7A1的轉錄[38]。

1.2.3 BA介導的TGR5信號通路 TGR5也稱為G蛋白偶聯的BA受體1（GPBAR1），是BA的G蛋白偶聯的膜受體，最初鑒定于2002年，在肝臟、脾臟、腎臟、腸道和膽囊等組織及巨噬細胞中廣泛表達[2]。BA是TGR5受體最有效的配體，可以直接激活或調節(jié)幾種G蛋白偶聯受體（GPCR）的信號傳導，其具有多種生理調節(jié)功能，主要在促進脂肪分解、葡萄糖穩(wěn)態(tài)和能量消耗等方面發(fā)揮關鍵作用[39]。有研究表明，TGR5的激活會觸發(fā)p38絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinases，p38MAPK）信號通路，活化ERK1/2和JNK，增加NF-κB、IL-6和TNF-α的表達量，發(fā)揮免疫功能[1,40]。

2 腸道微生態(tài)

腸道微生態(tài)系統(tǒng)在動物機體中占主要位置，同時也十分復雜，在維持動物體內正常營養(yǎng)代謝、增強機體免疫功能及免受外來物質侵襲等方面發(fā)揮至關重要的作用，一旦發(fā)生失調，會直接影響腸道免疫系統(tǒng)的發(fā)育并影響宿主代謝，直接或間接地引發(fā)多種疾病。腸道菌群在整個腸道微生態(tài)系統(tǒng)中占核心位置，通過為宿主提供必需化合物，在參與BA的生物合成、能量及糖脂代謝、促進營養(yǎng)物質的消化和吸收、調節(jié)宿主免疫功能以及保護宿主免受外界毒害物質的侵襲等多方面發(fā)揮關鍵作用[41]。腸道菌群的主要功能包括對機體營養(yǎng)作用、免疫作用及生物屏障作用等[42]。有報道稱，腸道菌群的代謝產物（如氧化三甲胺、短鏈脂肪酸等）均可影響腸道屏障功能、糖脂代謝[43-44]。動物腸道菌群主要由乳桿菌屬（Lactobacillus）、鏈球菌屬（Streptococcus）和葡萄球菌屬（Staphylococcus）等組成，其次為腸桿菌屬（Enterobacteria）、腸球菌屬（Enterococcus）、擬桿菌屬（Bacteroides）和梭菌屬（Clostridium）等[45]。腸道菌群的組成可通過多種方法檢測，目前常用的主要是16S RNA和宏基因組測序，此外還有分離培養(yǎng)、代謝組學及質譜技術等[46]。近年來，腸道菌群的主要調節(jié)劑包括益生菌、抗菌肽、中草藥及植物提取物等。無可否認，在畜牧產業(yè)中，抗生素對腸道菌群也有一定的調節(jié)作用，在促進動物生長及防治疾病等方面發(fā)揮積極作用[47]，但抗生素的耐藥性和藥物殘留等問題無法得到解決，正逐步退出畜牧業(yè)。在調節(jié)動物腸道菌群中，常用的益生菌主要仍集中于乳酸菌[48-49]和芽孢桿菌[50]及中草藥（人參[51]、黃岑[52]等）、植物提取物（如人參多糖[53]、猴頭菇多糖[54]等）。此外，抗菌肽是核糖體合成的天然抗生素，細菌、植物及動物等生物均能產生抗菌肽，其主要功能是調節(jié)腸道菌群的數量和組成，且與腸道菌群具有雙向調控作用[55]。

3 BA代謝與腸道微生態(tài)的互作關系

BA代謝與腸道菌群之間存在密切相關的互作關系（圖2），BA會通過自身的生理作用及其所介導的信號通路來影響腸道菌群的數量和組成，而腸道菌群數量及組成的變化也會影響B(tài)A的代謝，還可激活BA相關信號通路調控BA代謝，二者之間的互作關系會造成相同影響，即引發(fā)動物肝腸膽相關疾病[9,56]。

3.1 BA對腸道菌群的調節(jié)作用 BA在腸道中主要通過Bacteroides、真桿菌屬（Eubacterium）、Clostridium和Lactobacillus的厭氧作用進行生物轉化，與?；撬岷透拾彼峤Y合后通過膽鹽水解酶（Bile Salt Hydrolase，BSH）催化共軛BA的解偶聯，恢復成未結合的游離膽汁酸[57]。BSH是腸道菌群產生的一種酶，可影響B(tài)A發(fā)揮不同的生理功能，不同的BSH可能對不同的BA組成有反應，BSH可能具有解毒作用，BA去綴合也由具有BSH活性的腸道微生物進行，進而改善哺乳動物腸道菌群的定植[58]。Phylum Firmicutes是將初級膽汁酸去共軛和脫羥基成為次級膽汁酸的主要細菌，糞便中外排的BA減少會引起腸道中的Phylum Firmicutes發(fā)生改變[59]。Kusumotoa等[60]研究表明，添加BA結合樹脂（Bile Acid Binding Resin，BAR）改變了腸道菌群的組成，增加了Phylum Firmicutes并減少了Bacteroides的數量，進而降低了脂肪沉積。BAR是腸道中能夠降低血清膽固醇的BA，可引起腸道菌群的變化，并增加丙酸的產生量，可有效改善對葡萄糖的耐受性不良并預防人和動物的肥胖、脂肪肝等疾病。此外，BA可降低腸道菌群代謝物短鏈脂肪酸（SCFA）的產量，且具有抑菌活性，能有效抑制腸道病原菌的生長增殖，并且通過FXR誘導的抗菌肽具有間接作用[61]。Peng等[62]給草魚（Ctenopharyngodon idella）飼喂BA 50 d，發(fā)現Lactobacillus和雙歧桿菌（Bifidobacterium）等有益菌數量增加，氣單胞菌和大腸桿菌等有害菌數量減少。BA可作為信號分子調節(jié)腸道菌群的生理功能，FXR受體與腸道中的免疫調節(jié)和屏障功能有關。Stenman等[63]研究表明，BA生成量增加導致腸道中FXR表達的增加，引起腸道菌群的變化，進而調節(jié)腸道屏障功能。

3.2 腸道微生態(tài)對BA的調節(jié)作用 在腸道中，初級膽汁酸的復雜代謝主要受腸道菌群的調節(jié)，BA組成發(fā)生改變，使得腸道菌群在調節(jié)動物機體代謝方面具有重要作用[56]。BA池的大小和組成與腸道菌群密切相關，某些特定的腸道菌群組成可能導致BA池發(fā)生明顯變化[8]。BA主要轉化方式包括C3、C7和C12上羥基的去共軛、氧化和差向異構化、7-脫羥基化、酯化和脫硫等（表1）[58,64]。大量研究表明，動物腸道內的正常菌群會通過水解酶和羥基的氧化共同作用，來解離BA中的甘氨酸或?；撬醄45]。腸道菌群的存在增加了膽汁酸池的疏水性，不同的腸道菌群組成產生了不同的BA譜。

3.3 腸道微生態(tài)對BA代謝的調節(jié)作用 腸道菌群是有效的FXR活化劑。Sayin等[65]研究證實，常規(guī)飼養(yǎng)小鼠中的MCA水平顯著降低，而無菌的FXR缺失型小鼠BA水平升高，腸道菌群通過FXR調節(jié)腸道中FGF15和肝臟中CYP7A1的表達，進而抑制BA的合成和代謝。已知，益生菌是改善腸道菌群組成、調節(jié)腸道菌群平衡的最有效的調節(jié)劑，不同的益生菌水解特定的BA底物。有研究表明，益生菌代謝產物能夠調節(jié)腸道中FXR、維生素D受體和過氧化物酶體增殖物激活受體（Peroxisome Proliferators-Activated Receptors，PPARs）的表達。Degirolamo等[66]研究發(fā)現，VSL#3復合益生菌（Lactobacillus、Bifidobacterium和Streptococcus thermophilus）能夠有效調節(jié)小鼠的腸道菌群的組成，Phylum Firmicutes和放線菌屬（Actinomyces）數量顯著增加，Bacteroides和變形桿菌屬（Proteus）數量下降，進而導致腸道中FXR和FGF15表達下調，促進CYP7A1和CYP8B1的表達，調節(jié)肝臟中BA的新合成。Liu等[67]研究發(fā)現，有機氯農藥使小鼠腸道菌群的相對豐度和組成發(fā)生改變后，Lactobacillus數量及BSH活性均有所減少，而后導致BA組成發(fā)生變化，疏水性增強，相關基因的表達下降，最終影響了肝臟和腸道BA的分布和代謝。這些研究均表明，腸道菌群能夠通過膽汁酸受體及其所介導的信號通路來影響B(tài)A的代謝，腸道菌群一旦失調隨即會產生BA代謝障礙，引發(fā)腸炎、脂肪肝、膽囊腫大等疾病。

表1 腸道微生物群的細菌屬參與BA代謝[58,64]

4 小結與展望

BA作為關鍵的信號分子與其相關受體結合后調節(jié)BA、葡萄糖、脂類和能量代謝，BA代謝與腸道菌群之間存在密切相關的互作關系，且二者與動物機體之間也呈現“三角動態(tài)平衡”狀態(tài)。BA會通過自身的生理作用機制及其所激活的FXR-FGF15/19等通路對腸道菌群的數量及組成進行影響，反之腸道菌群也會通過所產生的BSH等酶的作用影響腸道中BA的合成、代謝，同時腸道菌群還可激活BA的FXR-FGF15/19、FXR-SHP等信號通路調控BA代謝。益生菌能有效改善腸道菌群組成，維持腸道微生態(tài)平衡，今后有望通過益生菌調節(jié)動物腸道菌群以影響B(tài)A代謝，進而維持肝腸循環(huán)穩(wěn)態(tài)，最終實現對動物肝腸膽相關疾病的防治。與此同時，本課題組將繼續(xù)深入研究BA代謝與腸道微生態(tài)之間的雙向調控機制，進一步探尋腸道菌群-BA代謝之間的互作關系及其對動物機體的影響。