腸道菌群與葡萄糖代謝、脂代謝密切相關(guān),其中部分菌群通過調(diào)節(jié)膽汁酸(BA)代謝進(jìn)而影響多個(gè)BA受體信號(hào)傳導(dǎo)途徑。肝臟膽固醇經(jīng)肝酶代謝,合成初級(jí)膽汁酸。合成途徑包括經(jīng)典途徑(主要產(chǎn)生12α-羥基膽汁酸,膽酸)和替代途徑(主要產(chǎn)生非12α-羥基膽汁酸,鵝去氧膽酸)。BA合成和排泄是膽固醇和脂代謝的主要途徑,因此與多種代謝性疾病有關(guān),包括肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝等。此外,羥化固醇和BAs均可作為信號(hào)分子,激活多種組織中的多個(gè)核和膜受體介導(dǎo)的信號(hào)途徑,調(diào)節(jié)葡萄糖,脂質(zhì)穩(wěn)態(tài),炎癥和能量消耗。調(diào)節(jié)BA合成和組成以調(diào)節(jié)BA信號(hào)傳導(dǎo)是代謝性疾病治療的潛在策略。上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院和香港浸會(huì)大學(xué)賈偉教授團(tuán)隊(duì)深度總結(jié)了BA合成途徑(尤其是替代途徑)的最新研究進(jìn)展;探討B(tài)A替代合成途徑在治療代謝性疾病中的前景,相關(guān)成果發(fā)表于《Protein & Cell》。
BA合成:經(jīng)典途徑和替代途徑
BAs主要通過兩種途徑在肝臟中合成。經(jīng)典途徑或中性途徑由CYP7A1酶催化膽固醇發(fā)生7α-羥基化作用,隨后甾核進(jìn)一步轉(zhuǎn)化和由CYP8B1催化側(cè)鏈發(fā)生氧化裂解,該途徑產(chǎn)生的BA約占75%總膽汁酸。另一個(gè)途徑是替代途徑,也稱為酸性途徑,由CYP27A1催化膽固醇27-羥基化。該反應(yīng)經(jīng)由7α-羥化酶(CYP7B1)進(jìn)一步催化羥基化。替代途徑產(chǎn)生非12-OH BAs,以CDCA為主。這類BAs存在著物種差異,如在嚙齒類動(dòng)物中以鼠膽酸MCA為主,在熊中以熊膽酸UDCA為主,而在豬中以豬膽酸HCA為主。CYP7A1是BA合成的限速酶,CYP8B1消耗或抑制可導(dǎo)致替代途徑合成更多BA。
BA合成和代謝失調(diào)與嚙齒動(dòng)物和人類的代謝異常有關(guān),例如肥胖、糖尿病和慢性肝病。CYP8B1是CA合成關(guān)鍵酶,它決定了非12-OH BAs(CDCA,α/β-MCA,UDCA,LCA, HCA, HDCA及其他替代途徑的衍生物)與12-OH BAs(CA,DCA)的比例。最近研究表明,CYP8B1耗竭或下調(diào)引起12-OH BA水平減少,從而增加了非-12-OH / 12-OH BA的比例,對(duì)宿主代謝狀態(tài)產(chǎn)生有益影響。CYP7B1是參與BA替代途徑的關(guān)鍵酶。Cyp7b1-/-小鼠棕色脂肪中解偶聯(lián)蛋白1(UCP-1)表達(dá)發(fā)生顯著下調(diào),表明CYP7B1調(diào)控的BAs可能對(duì)TGR5(膜G蛋白偶聯(lián)受體5)激活作用增強(qiáng)。在糖尿病和非酒精性脂肪肝疾病(NAFLD)中,肝臟CYP7B1表達(dá)降低,這揭示BA替代途徑對(duì)于維持代謝穩(wěn)態(tài)的重要作用。研究表明,肥胖的2型糖尿病(T2DM)患者進(jìn)行Roux-en-Y胃旁路手術(shù)(RYGB)前血清CDCA比例呈現(xiàn)高水平,且與T2DM病程相關(guān)?;€CDCA水平越高,手術(shù)后糖尿病緩解率越高,這提示CDCA在總BA池中的占比可能作為RYGB手術(shù)療效的潛在預(yù)后標(biāo)志物。由此,反映CYP8B1和CYP7B1活性的BA比值可能是決定葡萄糖和脂代謝穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因素。
替代途徑的激活可改善代謝穩(wěn)態(tài)
最近幾項(xiàng)研究已經(jīng)表明,多種外源性物質(zhì)和內(nèi)源性BA可以調(diào)控BA替代途徑,對(duì)糖脂代謝具有重要作用(圖1)。
茶褐素(TB)是是普洱茶的活性成分,,具有降膽固醇和降脂的作用。小鼠口服TB可抑制腸道細(xì)菌膽鹽水解酶BSH活性。BSH功能是將結(jié)合型BA水解成非結(jié)合型BA。富含BSH菌群被抑制后,遠(yuǎn)端回腸中結(jié)合型BAs出現(xiàn)積累。這些結(jié)合型Bas以非12OH的?;蛆Z去氧膽酸(TCDCA)和牛磺熊去氧膽酸(TUDCA)為主,可抑制腸道FXR和下游FGF15-FGFR4信號(hào)傳導(dǎo),進(jìn)而上調(diào)肝臟中經(jīng)典和替代途徑中BA合成基因CYP7A1,CYP8B1,CYP27A1和CYP7B1的表達(dá)。同時(shí),肝臟中CDCA水平激動(dòng)肝臟FXR及下游SHP信號(hào)傳導(dǎo),從而抑制BA合成酶,尤其是CYP8B1。最終,腸道FXR-FGF15和肝FXR-SHP雙重調(diào)控,最終導(dǎo)致以CYP7B1為主的替代途徑合成酶的高表達(dá),肝臟中非12OH和12OH的比值顯著升高。采用腸道選擇性FXR激動(dòng)劑fexaramine進(jìn)一步驗(yàn)證該機(jī)制。給予fexaramine后,腸道FXR-FGF15通路激活,而肝臟FXR-SHP通路被抑制,肝臟 CYP7B1表達(dá)水平降低,同時(shí)TB引起的體重、TC和TG水平降低則被逆轉(zhuǎn)。當(dāng)小鼠接受腸道特異性FXR拮抗劑Z-Guggulsterone處理時(shí),TB有益作用變得更強(qiáng)。這些結(jié)果表明,TB降低膽固醇的作用機(jī)制是由于抑制腸道FXR信號(hào)從而激活肝臟CYP7B1活性,也為腸道FXR信號(hào)與肝BA合成之間聯(lián)系提供依據(jù)。
與TB調(diào)節(jié)腸道菌群的機(jī)制相似,幾種有效的BSH抑制劑(如核黃素和咖啡酸苯乙酯(CAPE))有望介導(dǎo)BA替代途徑。也有研究報(bào)道葡萄籽的提取物成功誘導(dǎo)了小鼠肝臟中CYP7B1表達(dá)并降低了肝臟脂質(zhì)水平。熊去氧膽酸UDCA是首個(gè)用于原發(fā)性膽源性膽管炎治療的藥物,也已用于治療非膽汁淤積性、非肝膽疾病和非酒精性脂肪性肝炎。在我們研究中觀察到,UDCA添加導(dǎo)致腸道BA濃度升高,主要是TUDCA和甘氨熊去氧膽酸(GUDCA)(FXR拮抗劑)引起肝中CYP7B1表達(dá)顯著增加。在飲食誘導(dǎo)的NAFLD模型小鼠中,UDCA補(bǔ)充劑可增加CYP7B1 mRNA水平并改善空腹血糖水平和肝脂肪變性。此外,補(bǔ)充UDCA可降低腸道FGF15分泌來刺激BA合成,并伴隨血清C4(7α-hydroxy-4-cholesten-3-one)水平升高。
最新的研究證實(shí)豬體內(nèi)高豐度的非12OH BA,豬膽酸HCA及其相關(guān)衍生物在腸道中能同時(shí)產(chǎn)生抑制FXR和激動(dòng)TGR5效果,促進(jìn)腸內(nèi)分泌細(xì)胞生成GLP-1,調(diào)節(jié)機(jī)體的糖脂代謝。大量的臨床樣本也證實(shí),在糖尿病和脂肪肝患者體內(nèi),豬膽酸水平顯著下降,與臨床血糖、胰島素、脂質(zhì)相關(guān)的指標(biāo)有著強(qiáng)相關(guān)性。
總的來說,外源性分子,如TB、CAPE、核黃素和葡萄籽提取物等,通過調(diào)節(jié)腸道菌群降低腸道中的BSH活性發(fā)揮作用。這種調(diào)節(jié)導(dǎo)致回腸末端的結(jié)合型BA含量增加,尤其是TCDCA和TUDCA,抑制腸道FXR信號(hào)進(jìn)一步導(dǎo)致CYP7B1(BA合成的替代途徑的關(guān)鍵酶)的表達(dá)增加,進(jìn)而導(dǎo)致CDCA增加以及12-OH BAs(CA)向非-12-OH BA轉(zhuǎn)化。已報(bào)道,12-OH BAs /非-12-OH BAs比率增加與代謝性疾病有關(guān)。TUDCA、UDCA、TCDCA和CDCA處理對(duì)CYP7B1表達(dá)水平具有相似作用。這些外源性分子或內(nèi)源性BA有利于增加非12-OH BA的產(chǎn)生從而改善代謝表型。
替代途徑可以產(chǎn)生有益羥化固醇并解毒有害羥化固醇
BA替代合成途徑是羥化固醇(BA形成過程中的氧化中間體,重要的生物活性脂質(zhì))的主要來源。在替代途徑中,膽固醇通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白StARD1(類固醇激素合成急性調(diào)節(jié)蛋白1)進(jìn)入肝線粒體,其中膽固醇被線粒體酶CYP27A1催化發(fā)生羥基化生成兩種重要的調(diào)節(jié)性羥化固醇,即25-羥基膽固醇和26-羥基膽固醇(25HC,26HC)。羥化固醇的水平隨細(xì)胞膽固醇水平增加而增加。羥化固醇可以直接激動(dòng)肝臟LXR受體,或通過CYP7B1代謝生成CDCA。該途徑不僅產(chǎn)生重要的正常生理功能的羥化固醇,還用于解毒作用。
膽固醇從外周組織中移出并返回肝臟被稱為膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn)(RCT)。RCT可以降低人體的膽固醇過量。羥化固醇激活的LXR能誘導(dǎo)多個(gè)RCT相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá),包括ATP結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、ABCA1、ABCG1、ABCG5、ABCG8、載脂蛋白E(ApoE)、膽固醇酯轉(zhuǎn)移蛋白、磷脂轉(zhuǎn)移蛋白、清道夫受體B1和CYP7A1。羥化固醇活化的LXR還通過ChREBP(碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白)和SREBP-1c促進(jìn)脂肪酸從頭合成的增加,誘導(dǎo)相關(guān)酶SCD-1、FAS、肝丙酮酸激酶(LPK)和乙酰輔酶A羧化酶1(ACC-1)高表達(dá)。羥化固醇與LXR的結(jié)合還通過降低糖異生酶、過氧化物酶體增殖物激活的受體-γ共激活因子1α、磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)的蛋白質(zhì)表達(dá)來介導(dǎo)葡萄糖穩(wěn)態(tài)。同時(shí),羥化固醇可以不依賴LXR,直接與INSIG(胰島素誘導(dǎo)基因蛋白)結(jié)合,使其與SREBP裂解激活蛋白(SCAP)相互作用,以防止SREBP-1c輸出到細(xì)胞核并增加脂肪生成,從而進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。
研究發(fā)現(xiàn),25-OHC-3S(25-羥基膽固醇的硫酸鹽)是LXR拮抗劑。高脂飲食(HFD)小鼠經(jīng)25-OHC-3S處理后,HFD小鼠體重降低,肝脂質(zhì)含量降低,葡萄糖耐量和胰島素耐受性改善。在人肝細(xì)胞中,用25-OHC-3S處理后,脂肪酸從頭合成相關(guān)基因(SREBP-1c,ACC和FAS)表達(dá)降低。25-OHC-3S處理的人類巨噬細(xì)胞,PPARγ蛋白水平增加和向核內(nèi)易位,導(dǎo)致幾種促炎基因的表達(dá)下降。
減少羥化固醇下游效應(yīng)的另一方法是增強(qiáng)CYP7B1的表達(dá)和活性,以此降低羥化固醇水平,增加non-12OH BA如CDCA及其腸道菌下游產(chǎn)物L(fēng)CA的水平。LCA類的BA通過激動(dòng)TGR5,刺激腸內(nèi)分泌L細(xì)胞分泌GLP-1。GLP-1分泌會(huì)增強(qiáng)胰腺β細(xì)胞的胰島素分泌。胰島素敏感性改善可增加CYP7B1的表達(dá)。如前文所述,HCA類BA同樣能促進(jìn)GLP-1的分泌,并誘導(dǎo)的CYP7B1表達(dá)。圖2概括了替代途徑(A)和羥化固醇/ LXR軸(B)調(diào)控脂質(zhì)代謝中的作用。
替代途徑與NAFLD / NASH、肝癌終末期
代謝性疾病NAFLD可發(fā)展為NASH并最終導(dǎo)致肝癌。19對(duì)臨床HCC腫瘤組織和鄰近的非腫瘤組織基因表達(dá)分析表明,負(fù)責(zé)HDL-固醇輸入、膽固醇生物合成(HMGCR)和固醇磺化(SULT2B1b)的基因無顯著差異。但是,在腫瘤組織中,參與固醇分解代謝的基因(CYP8B1,CYP27A1,CYP7B1,CYP39A1)和固醇通量的基因(ABCA1,ABCG5,ABCG8)顯著降低,這表明肝癌中固醇顯著增加。由于關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶CYP27A1的減少,腫瘤組織通過BA替代途徑產(chǎn)生的羥化固醇也可能減少。因此,提出一個(gè)假設(shè),在NASH后期的伴隨纖維化和肝硬化的癌前細(xì)胞是否可以通過上調(diào)BA合成的替代途徑,提供外源性羥化固醇,調(diào)控疾病的發(fā)展。HCC在很大程度上依賴于羥化固醇用于細(xì)胞增殖、免疫抑制以促進(jìn)腫瘤生長、新血管生成和脂肪生成。BA替代途徑對(duì)于疾病的調(diào)控主要取決于CYP7B1的水平和活性。替代途徑的升高一方面可能是羥化固醇的來源,促進(jìn)腫瘤增殖;若羥化固醇下游的CYP7B1高表達(dá),則產(chǎn)生更多的非12-OH BA(與更好的預(yù)后相關(guān))。需要進(jìn)行更多研究為BA替代合成途徑在治療和預(yù)防終末期肝病中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
替代途徑與胎兒肝臟代謝和生長
胎兒肝臟(FL)是維持和生成造血干細(xì)胞(HSC)重要部位。胎兒肝臟促進(jìn)HSC快速擴(kuò)增,而骨髓中HSC池仍停留在靜止的骨髓造血微環(huán)境中。最近研究發(fā)現(xiàn)FL具有與母體肝臟截然不同的膽汁酸譜,這是由BA合成酶CYP27A1和CYP8B1相對(duì)豐度所決定。CYP7A1在FL中的表達(dá)水平低于母體肝臟中的表達(dá)水平。盡管FL尚不存在膽管結(jié)構(gòu),但FL中BA可通過阻止聚集的未折疊蛋白的產(chǎn)生來抑制應(yīng)激信號(hào)。FL中次級(jí)BA的發(fā)現(xiàn),表明母體BA可以通過胎盤自由轉(zhuǎn)運(yùn)到FL中。對(duì)胎兒羊水的研究揭示在胎兒早期也可檢測(cè)到的BA。如果母體和胎兒血漿中BA過量,則稱為肝內(nèi)膽汁淤積癥(ICP),這會(huì)增加胎兒窒息、早產(chǎn)甚至自發(fā)性胎兒死亡的風(fēng)險(xiǎn)。在ICP中,母體高水平的BA向胎兒轉(zhuǎn)移,還可能競爭性地抑制胎兒BA向母體轉(zhuǎn)移,從而導(dǎo)致母體BA在胎兒血液循環(huán)積累。ICP的治療方式包括給予UDCA。已報(bào)道UDCA可以減少細(xì)胞凋亡和BA誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激以及對(duì)胎盤滋養(yǎng)層細(xì)胞的其他炎癥作用。UDCA也可以阻斷BA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OATP4A1,從而阻止母體BA吸收。對(duì)BA在FL中的作用及其代謝通路的了解有助于理解成年肝臟中BA替代合成途徑的作用。
替代途徑與腸道菌群
除了補(bǔ)充外源性CDCA以增加非12-OH BA之外,腸道菌群也可操縱BA合成的替代途徑(圖3)。
腸道菌群可通過改變BA組成和非12-OH BA的比例誘導(dǎo)肝臟合成具有不同位置羥基的BAs。已報(bào)道,無菌(GF)小鼠對(duì)HFD誘導(dǎo)的肥胖具有抵抗力。與常規(guī)飼養(yǎng)的(CONV-R)小鼠相比,GF小鼠BA池中非-12-OH Bas,特別是TβMCA的比例顯著增加, CYP7A1和CYP7B1表達(dá)增加,而非CYP8B1表達(dá)增加, FGF15水平降低。類似的,用抗生素抑制小鼠腸道菌群時(shí),F(xiàn)GF15水平降低,而TβMCA/ CA比值顯著增加,表明BA合成的替代途徑激活。向野生型小鼠中注射FGF15可顯著抑制CYP7A1的表達(dá),但不影響CYP8B1表達(dá)。CYP7A1是BA合成的限速酶,也參與CDCA的合成,這是經(jīng)典途徑和替代途徑之間的重合部分。腸道菌群調(diào)節(jié)腸道FXR-FGF15信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)BA合成的替代途徑產(chǎn)生影響。腸道和肝臟的FXR信號(hào)對(duì)BA動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)作用不同,CYP7A1更容易被腸道FXR-FGF15途徑調(diào)節(jié),而CYP8B1對(duì)肝臟FXR激活更敏感。由此推測(cè), FGF15水平降低主要通過替代途徑增強(qiáng)BA合成,從而導(dǎo)致BA組成改變。
改變BA組成的另一種機(jī)制可能涉及表達(dá)7-HSDH的腸道細(xì)菌,例如梭狀芽胞桿菌家族,它們?cè)谀c道中誘導(dǎo)BA 7-羥基發(fā)生異構(gòu)化將CDCA轉(zhuǎn)化為UDCA。對(duì)于這些腸道菌群而言,更易于親和并代謝兩個(gè)OH的 BA(例如CDCA和UDCA),而非三個(gè)OH的 BA(例如CA)。這些微生物優(yōu)先將CDCA代謝為UDCA, UDCA進(jìn)一步激活替代途徑,加速BA循環(huán)和糞便排泄。在小鼠研究中發(fā)現(xiàn),口服產(chǎn)7-HSDH的細(xì)菌可上調(diào)替代途徑BA生成并提高血清C4水平。
同時(shí),BAs也會(huì)影響宿主腸道菌群的組成。正常飲食喂養(yǎng)的小鼠在CA(人膽汁中最豐富的12-OH BA)給予后腸道菌群的變化與高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠中的腸道菌群變化相似,厚壁菌/擬桿菌的比例增加。因此,由腸道菌群介導(dǎo)的BA調(diào)節(jié)可以進(jìn)一步重新腸道菌群。
小結(jié)
本綜述總結(jié)了BA合成途徑,合成通路中產(chǎn)生的非-12-OH BA和羥化固醇將激活各組織中多個(gè)核和膜受體介導(dǎo)的信號(hào)通路。這些非12-OH的BA包括了CDCA、UDCA、HCA、LCA、MCA,及其甘氨或?;墙Y(jié)合型BA,這些BA最終調(diào)節(jié)肥胖、T2DM、NAFLD、NASH、肝癌等疾病的發(fā)生和發(fā)展。非12-OH BA可以通過飲食補(bǔ)充、肝臟代謝、菌群進(jìn)行調(diào)控,其中腸道菌群催化BA 7-羥基的異構(gòu)化,將非12-OH BA(CDCA)轉(zhuǎn)化為UDCA。尚不清楚腸道細(xì)菌是否表達(dá)12α-脫羥基酶(該酶會(huì)將12-OH BA轉(zhuǎn)化為非12-OH BA),也將是未來的研究方向?!澳c道微生物-BA對(duì)話機(jī)制”在調(diào)節(jié)葡萄糖和脂代謝中的作用也需要進(jìn)一步研究。因此,需要更系統(tǒng)和更深入理解腸道菌群與宿主系統(tǒng)功能的關(guān)系,才能探索新的疾病干預(yù)策略。
配套檢測(cè)方法
本文涉及的膽汁酸類代謝物,麥特繪譜均可提供全套解決方案!麥特繪譜膽汁酸相關(guān)檢測(cè)包括膽汁酸全譜檢測(cè)、膽汁酸簡譜檢測(cè)、Q300檢測(cè)、宏代謝檢測(cè)。其中,膽汁酸全譜分析平臺(tái)可確保多種膽汁酸同分異構(gòu)體獲得較好的分離,并以10 同位素標(biāo)記膽汁酸為內(nèi)標(biāo)可在多個(gè)物種、多種生物樣本中精確定量60 種膽汁酸,部分檢測(cè)列表如下:
參考文獻(xiàn)
Jia W, et al. Targeting the alternative bile acid synthetic pathway for metabolic diseases. Protein Cell. 2020. doi: 10.1007/s13238-020-00804-9.
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