結(jié)合麥特繪譜技術(shù)團(tuán)隊(duì)十多年的膽汁酸研究經(jīng)驗(yàn),王博在本期繪譜學(xué)堂分別從膽汁酸代謝、膽汁酸代謝信號(hào)通路、膽汁酸與腸道菌群研究案例三個(gè)方面向各位學(xué)員做了詳細(xì)解讀,同大家一起探討體內(nèi)膽汁酸具體代謝過(guò)程,以及作為信號(hào)因子及代謝調(diào)節(jié)因子的膽汁酸通過(guò)何種信號(hào)通路與腸道菌群相互作用影響疾病的發(fā)生和發(fā)展。
膽汁酸代謝
按照R1\R2\R3\X位置上基團(tuán)不同,其親脂性不同。按照結(jié)構(gòu)還可以將膽汁酸分為初級(jí)膽汁酸和次級(jí)膽汁酸,或者結(jié)合型膽汁酸和非結(jié)合型膽汁酸。
在膽汁酸分類中,有一種膽汁酸需要注意,就是UDCA。UDCA在老鼠體內(nèi)屬于初級(jí)膽汁酸,在人體內(nèi)屬于次級(jí)膽汁酸。目前有很多膽汁酸分類還不是很清楚。另外,還需要注意的一個(gè)問題是人體膽汁酸成分和老鼠膽汁酸成分組成是不一樣的。如下圖可以看出,人體膽汁酸中CA、CDCA、DCA、LCA等為主,而老鼠膽汁酸中CA、βMCA、ωMCA、αMCA等為主。
膽汁酸代謝比較復(fù)雜,涉及的催化反應(yīng)至少包括了17種不同的酶。肝臟部位,膽固醇通過(guò)兩種不同途徑形成初級(jí)膽汁酸。經(jīng)典途徑是膽固醇經(jīng)膽固醇-7α-羥化酶(CYP7A1)催化生成7α-羥基膽固醇,進(jìn)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(guò)該途徑產(chǎn)生。替代途徑則由甾醇-27-羥化酶(CYP27A1)催化生成27-羥基膽固醇進(jìn)一步被氧甾醇-7α-羥化酶(CYP7B1)催化生成CDCA。值得注意的是,替代途徑主要產(chǎn)生CDCA,而經(jīng)典途徑產(chǎn)生CDCA和CA,兩種初級(jí)膽汁酸的比例由甾醇-12α-羥化酶(CYP8B1)決定。除CA和CDCA外,小鼠還產(chǎn)生初級(jí)膽汁酸MCAs(主要是β-MCA)和熊去氧膽酸(UDCA)。然后與?;撬岷透拾彼徇M(jìn)行結(jié)合。
生成初級(jí)膽汁酸與?;撬岷透拾彼徇M(jìn)行結(jié)合形成結(jié)合型膽汁酸。需要注意的是,人體中膽汁酸主要與甘氨酸結(jié)合,而小鼠和大鼠體內(nèi)膽汁酸主要與牛磺酸結(jié)合。非結(jié)合型膽汁酸可以通過(guò)擴(kuò)散穿過(guò)細(xì)胞膜,而結(jié)合型膽汁酸需要通過(guò)膽鹽輸出泵(BSEP,也稱為ABCB11)主動(dòng)運(yùn)輸?shù)侥懼校?chǔ)存在膽囊內(nèi),隨后被釋放到十二指腸。同時(shí),也會(huì)生成硫酸化膽汁酸或葡糖醛酸化,并與甘氨酸或者牛磺酸進(jìn)行結(jié)合,由多藥耐藥性相關(guān)蛋白2 (MRP2,也稱為ABCC2)分泌到膽囊中。當(dāng)發(fā)生膽汁淤積時(shí),大量的膽汁酸和膽紅素通過(guò)包括MRP3和MRP4在內(nèi)的MRP家族成員以及鈉鹽非依賴有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)多肽2 (OATP2,也稱為SLCO1B1)、有機(jī)溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體OSTα-OSTβ異源二聚體轉(zhuǎn)運(yùn)至循環(huán)系統(tǒng)。
膽囊收縮釋放膽汁酸(以膽汁酸、膽固醇和磷脂混合的膠束形式)進(jìn)入腸道,來(lái)自腸道細(xì)菌的微生物酶繼續(xù)代謝膽汁酸,甘氨酸和?;撬峤Y(jié)合的CA和CDCA通過(guò)膽酸鹽水解酶(BSH)去結(jié)合和7α-脫羥基形成次級(jí)膽汁酸(DCA和LCA)。Tα-MCA和Tβ-MCA通過(guò)膽酸鹽水解酶(BSH)形成α-MCA,β-MCA。β-MCA通過(guò)C-7差向異構(gòu)化形成ω-MCA,再經(jīng)7α脫羥基形成豬去氧膽酸(HDCA),經(jīng)過(guò)7β-差向異構(gòu)化形成豬膽酸(HCA,也稱為γMCA)。
膽汁酸去結(jié)合過(guò)程由具有膽鹽水解酶(BSH)活性的細(xì)菌主導(dǎo)的,參與膽汁酸代謝的腸道菌屬主要有:擬桿菌、梭菌、乳酸菌、雙歧桿菌、利斯特氏桿菌等參與膽汁酸去結(jié)合;擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、大腸桿菌、埃格菌、優(yōu)桿菌、消化性鏈球菌和瘤胃球菌主要參與C3、C7和C12羥基的氧化和差向異構(gòu)化;梭狀芽胞桿菌和優(yōu)桿菌參與7-去羥基化;擬桿菌、優(yōu)桿菌和乳酸菌參與酯化反應(yīng);梭狀芽孢桿菌、梭桿菌、胃球菌和假單胞菌參與脫硫過(guò)程。
在回腸末端,大多數(shù)非結(jié)合膽汁酸(包括CA、CDCA DCA, UDCA HDCA,α-MCA,β-MCA,和ω-MCA)經(jīng)頂端鈉依賴性膽汁酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(ASBT) 、MRP2等吸收進(jìn)入腸上皮細(xì)胞,并分泌到門靜脈。經(jīng)過(guò)循環(huán)系統(tǒng)到達(dá)肝臟,由肝細(xì)胞鈉/牛磺膽酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)多肽(NTCP)和有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)多肽1 (OATP1)進(jìn)入肝細(xì)胞。臨床上,NTCP主要負(fù)責(zé)結(jié)合膽汁酸的攝取(>80%),而OATP家族成員主要將未結(jié)合或硫酸化膽汁酸運(yùn)輸?shù)礁闻K。這樣就完成了一次肝-腸循環(huán)。每天膽汁酸池90–95%膽汁酸進(jìn)行循環(huán),一天腸道和肝臟之間循環(huán)次數(shù)大約6-10次,每天只產(chǎn)生約0.2~0.6克的新合成膽汁酸,以維持一個(gè)穩(wěn)定的膽汁酸池。
通過(guò)膽汁酸代謝通路展示圖可以看出,我們可以通過(guò)幾個(gè)方面對(duì)膽汁酸進(jìn)行分析:1)膽汁酸各成分組間變化規(guī)律,膽汁酸比例變化規(guī)律,不同種類(初級(jí)和次級(jí)、結(jié)合和非結(jié)合等)膽汁酸變化規(guī)律;2)膽汁酸代謝酶變化規(guī)律(如CYP7A1、CYP27A1、CYP8B1);3)膽汁酸轉(zhuǎn)運(yùn)重吸收等受體表達(dá)變化規(guī)律(如BSEP、MRP2、ASBT)。
膽汁酸代謝信號(hào)通路
膽汁酸是如何發(fā)揮信號(hào)分子作用的呢?其實(shí)主要依賴于兩種關(guān)鍵的受體,一種是法尼醇X受體(FXR),它是核受體的一種,另外一種是G蛋白偶聯(lián)受體(TGR5)。
FXR在多種組織中均有表達(dá)。其中研究最多的部位是肝臟和回腸。肝FXR是膽汁酸合成和肝內(nèi)循環(huán)的主要調(diào)節(jié)因子。在正常生理?xiàng)l件下,肝臟FXR主要調(diào)節(jié)膽道系統(tǒng)和腸道的膽汁酸水平,限制膽汁酸在肝臟中的積累。腸道FXR維持膽汁酸回流到門靜脈,并控制膽汁酸再攝取進(jìn)入腸細(xì)胞,從而限制細(xì)胞內(nèi)膽汁酸水平。遠(yuǎn)端回腸腸細(xì)胞重吸收膽汁酸,膽汁酸激活或抑制FXR活性,誘導(dǎo)小鼠FGF15或者人體FGF19表達(dá)。FGF15 /19通過(guò)門靜脈到達(dá)肝臟,與FGF受體4(FGFR4)/b-klotho異二聚體復(fù)合物結(jié)合,觸發(fā)JNK1/2和ERK1/2信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)影響Cyp7a1的表達(dá),最后調(diào)節(jié)膽汁酸的合成代謝。另外,膽汁酸激活肝臟FXR誘導(dǎo)小異二聚體伴侶(SHP)分子的表達(dá),SHP與肝受體同源蛋白-1 (LRH-1)結(jié)合,從而抑制Cyp7a1基因的表達(dá)。此外,F(xiàn)XR還可以誘導(dǎo)其他轉(zhuǎn)運(yùn)體BSEP/ABCB11、 MDR3/MDR2/ABCB4、ABCG5/ABCG8的表達(dá)影響膽汁酸代謝。TGR5主要由疏水性次級(jí)膽汁酸LCA和DCA激活,是微生物與膽汁酸相互作用的另一個(gè)靶點(diǎn)。TGR5的激活導(dǎo)致受體內(nèi)化,環(huán)磷腺苷(cAMP)水平升高,蛋白激酶A活化,導(dǎo)致靶蛋白磷酸化水平增加,這種活化引起的結(jié)果是廣泛的且具有細(xì)胞特異性,最終引起褐色脂肪組織能量消耗,改善葡萄糖代謝和胰島素敏感性,增加腸道運(yùn)動(dòng)等變化。此外,膽汁酸其他受體包括孕烷X受體PXR、維生素D受體。因此我們可以針對(duì)膽汁酸變化,選擇信號(hào)通路上的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)分析。
案例分享
第一個(gè)案例為膽汁酸與阿爾茲海默癥之間的研究
該研究納入1464例樣本,其中認(rèn)知正常370例,早期輕微認(rèn)知障礙284例,晚期輕微認(rèn)知障礙505例以及AD病人305例。首先確定不同階段人群膽汁酸是否發(fā)生變化,且這種變化與認(rèn)知能力下降是否相關(guān),MCI進(jìn)展到AD患者中,CA水平下降,而GDCA/CA、TDCA/CA水平均上升,提示它們是評(píng)價(jià)MCI進(jìn)展的標(biāo)志物群。其次,對(duì)BAs與ATN (β-淀粉樣蛋白,tau蛋白,神經(jīng)退化)三種疾病生物標(biāo)志物相關(guān)性進(jìn)行分析;此外,結(jié)合基因檢測(cè),進(jìn)行膽汁酸與風(fēng)險(xiǎn)基因位點(diǎn)相關(guān)性分析。這個(gè)案例是從臨床角度出發(fā),挖掘膽汁酸在臨床輔助診斷、評(píng)估中的應(yīng)用。
第二個(gè)案例從膽汁酸和腸道菌群角度研究二甲雙胍藥效機(jī)制研究
對(duì)二甲雙胍治療前后腸道菌群進(jìn)行檢測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)短期給予二甲雙胍就能夠明顯的引起腸道菌群重塑,其中脆弱擬桿菌豐度顯著被抑制。通路分析發(fā)現(xiàn)次級(jí)膽汁酸代謝受到影響。隨后采用代謝組學(xué)分析了糞便、血清中膽汁酸變化規(guī)律,其中TUDCA\GUDCA水平顯著變化。隨后對(duì)FXR等信號(hào)通路進(jìn)行檢測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)腸FXR在二甲雙胍干預(yù)之后,明顯被抑制,而肝FXR卻沒有顯著改變。進(jìn)一步證實(shí)GUDCA是腸FXR內(nèi)源性拮抗劑。將篩選到的脆弱擬桿菌進(jìn)行灌胃,發(fā)現(xiàn)脆弱擬桿菌可以逆轉(zhuǎn)二甲雙胍降糖作用。而補(bǔ)充GUDCA,糖尿病模型小鼠體重明顯減輕,血糖明顯改善,胰島素敏感性也增加了,能夠有效的治療糖尿病。
案例詳細(xì)解析請(qǐng)點(diǎn)擊查閱:Nat. Med. | 二甲雙胍通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群與膽酸代謝改善葡萄糖代謝疾病
膽汁酸相關(guān)藥物研發(fā)情況
膽汁酸的信號(hào)通路疾病當(dāng)中發(fā)揮極其重要的作用,是藥物干預(yù)的一類靶點(diǎn)。以下突變?yōu)槟懼岬膸追N藥物的研發(fā)情況。主要有CDCA及其衍生物、UDCA及其衍生物、膽汁酸螯合劑(如消膽胺)及膽汁酸轉(zhuǎn)運(yùn)體ASBT抑制劑。
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Q&A
Q1: 做了非靶向代謝組,發(fā)現(xiàn)兩種膽汁酸出現(xiàn)顯著差異,想對(duì)這兩種膽汁酸進(jìn)一步分析,有什么建議呢?
A:非靶向代謝篩選出的差異物還需要進(jìn)一步驗(yàn)證,如果該疾病與膽汁酸相關(guān)性比較強(qiáng),可以對(duì)膽汁酸譜進(jìn)行靶向絕對(duì)定量驗(yàn)證一下,根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行后續(xù)驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)。
Q2:膽汁酸對(duì)腸道中菌群中哪類菌群影響最大?
A: 膽汁酸和腸道菌群相互影響。其中擬桿菌、梭菌、乳酸菌、雙歧桿菌、等參與膽汁酸去結(jié)合;擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、大腸桿菌、瘤胃球菌等參與羥基氧化和差向異構(gòu)化;梭狀芽胞桿菌和優(yōu)桿菌參與7-去羥基化;擬桿菌、優(yōu)桿菌和乳酸菌參與酯化反應(yīng);梭狀芽孢桿菌、梭桿菌、胃球菌和假單胞菌參與脫硫過(guò)程??梢酝ㄟ^(guò)飲食補(bǔ)充膽汁酸考察某種膽汁酸對(duì)菌群的影響。
Q3: 臨床及動(dòng)物模型均顯示肝損失后,總甘油三酯和總膽汁酸存在顯著性差異,該如何進(jìn)行下一步研究?
A: 可以針對(duì)膽汁酸譜進(jìn)行檢測(cè)分析,臨床上可以進(jìn)行血清、糞便兩種樣本膽汁酸檢測(cè);動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以對(duì)血清、肝臟、腸內(nèi)容物進(jìn)行檢測(cè),先選擇哪種樣本進(jìn)行分析則需要根據(jù)研究目的進(jìn)行選擇。目前已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)告肝損傷中膽汁酸成分會(huì)出現(xiàn)明顯變化。
Q4: 糞便和血清中膽汁酸分別反映哪些部位膽汁酸含量?肝臟疾病是不是要特意檢測(cè)肝臟中膽汁酸?
A: 糞便膽汁酸表征由肝臟轉(zhuǎn)運(yùn)至腸道的環(huán)節(jié)(腸道膽汁酸升高可能是腸道重吸收受阻或者肝臟分泌過(guò)多)、血清表征整體狀態(tài)(血清膽汁酸過(guò)多可能是腸道重吸收增加,也有可能是肝臟膽汁酸淤積)、肝臟部位主要還是表征膽汁酸合成。三個(gè)部位全部分析才會(huì)更系統(tǒng)的闡述清楚哪個(gè)部位的功能出現(xiàn)異常。
Q5: 研究腸道腫瘤和膽汁酸的關(guān)系時(shí),糞便和血液膽汁酸優(yōu)選哪一個(gè)?
A: 如果從機(jī)制方面進(jìn)行研究可以選擇糞便膽汁酸,同時(shí)可以對(duì)菌群去進(jìn)行檢測(cè),兩部分結(jié)果可以進(jìn)行相關(guān)性分析,探討群菌-膽汁酸-疾病三者之間的關(guān)系。如果尋找生物標(biāo)志物,血清會(huì)更好一些,臨床方面收集血樣更方便。選擇哪種樣本,還是要根據(jù)研究目的進(jìn)行判斷。
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