肠道菌群与胆汁酸代谢

肠道菌群与胆汁酸代谢冯静魏亚聪宋光耀【摘要】摘要：在肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪性肝病等疾病的发生和发展过程中，肠道菌群和胆汁酸代谢均发挥了关键作用。近年来胆汁酸代谢与肠道菌群的研究逐渐深入，肠道细菌在胆汁酸的生物转化、肝脏胆汁酸的合成、肠道胆汁酸的重吸收等过程中具有重要作用。【期刊名称】国际消化病杂志【年（卷），期】2016（036）004【关键词】胆汁酸；肠道菌群；法尼醇X受体•综述•肠道是体内细菌定植的主要场所，这些数量巨大、复杂多样的细菌构成了肠道菌群。胆汁酸不仅是食物消化吸收中的重要物质，也是体内调控糖脂及能量代谢的信号分子。肠道菌群与胆汁酸代谢关系密切，均参与了肥胖、糖尿病等代谢性疾病的发生发展。1正常人体肠道菌群概述胃肠道是人体中微生物定植数量最多的器官，种类可多达上千种。肠道菌群中以拟杆菌门、厚壁菌门等厌氧菌为主，其余有变形菌门、疣微菌门、放线菌门、梭杆菌门、双歧杆菌、蓝藻细菌（数量较少）等［1］。肠道菌群可以发挥生物屏障、免疫调节、营养支持、抗肿瘤等作用［2］。每个人体内肠道菌群的构成都是独一无二的。研究发现，同卵双胞胎的粪便微生物构成中有一半以上种类不同［3］。肠道菌群构成会随着年龄增长而不断改变，在老年人群中，由于长期慢性低度炎性反应的存在，会造成菌群失调［4］。高通量测序分析结果显示，与年轻人相比较，老年人肠道菌群以拟杆菌门为主，而双歧杆菌数量下降［5］。2肠道菌群、胆汁酸代谢受饮食的调节饮食可影响肠道菌群的组成及其功能、胆汁酸的合成与分泌。Devkota等［6］的研究表明，饮食中的脂肪酸能够通过改变胆汁酸池中的胆汁酸成分，进而使肠道菌群发生改变。给予小鼠富含牛奶源性的饱和脂肪酸饮食，一方面能够增加肝脏牛磺胆酸(TCA)的合成，有利于脂肪的消化吸收；另一方面可刺激肠道中沃氏嗜胆菌等亚硫酸盐还原微生物的生长。研究发现，高脂饮食小鼠肠道菌群失调，黏膜屏障完整性受损；胆汁酸组分发生改变，脱氧胆酸(DCA)含量增加，而具有细胞保护作用的熊脱氧胆酸(UDCA)水平下降［7］。DCA可以扰乱脂质双分子层；而亲水性的UDCA使双分子层更加稳定，对抗DCA诱导的活性氧产生，使线粒体免受损伤。高脂饮食导致肠道菌群失调，造成黏膜屏障功能受损，DCA含量增加，UDCA水平下降，可进一步造成屏障功能失调。由此可见，肠道菌群、胆汁酸代谢与饮食的关系非常密切。3肠道菌群对胆汁酸代谢的影响3.1肠道菌群参与胆汁酸的正常代谢哺乳动物体内胆汁酸调节是一个非常复杂的过程，需要肝脏、肠道、肠道菌群的共同作用［8］。胆酸(CA)、鹅脱氧胆酸(CDCA)是肝脏合成的两种初级胆汁酸，胆汁酸在肝脏内进一步与甘氨酸或牛磺酸结合，经过小管膜分泌至胆道，在胆囊中储存。消化吸收的食糜刺激促胰液素、缩胆囊素的分泌。在促胰液素的作用下胆管细胞分泌碳酸氢盐、水，增加胆汁的量；缩胆囊素刺激胆囊收缩，使胆汁分泌入十二指肠。初级胆汁酸激活肝脏法尼醇X受体(FXR)，促进小异二聚体伴侣(SHP)基因表达，从而抑制肝受体同系物-1(LRH-1)的活性，使得胆汁酸合成限速酶一一胆固醇7a羟化酶(CYP7A1)活性受抑制［9］。肠道FXR激活后也会抑制胆汁酸合成，通过促进成纤维细胞生长因子 19(FGF19)表达，FGF19与肝脏上成纤维细胞生长因子受体4结合，激活细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)，从而抑制胆汁酸合成［10］。胆汁酸在回肠末端重吸收，通过门静脉重新转运至肝脏。有限的胆汁酸在肝、肠之间不断循环利用的过程称为胆汁酸的〃肠肝循环”途径。1%~2%的胆汁酸未参与肠肝循环，在结直肠内经过肠道细菌的生物转化作用生成次级胆汁酸，即脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)。生物转化作用包括解离、差向异构化及氧化、脱羟基作用，其中以解离作用及脱羟基作用为主。胆盐水解酶(BSH)是催化结合型胆汁酸第24位碳原子上的酰胺键水解的关键酶［11］。脆弱拟杆菌、普通拟杆菌、产气荚膜杆菌、李斯特菌以及某些乳酸菌、双歧杆菌都可以产生BSH［1］。水解之后游离的氨基酸可以作为体内碳原子、氮原子及能量的来源。甘氨酸可以转变为氨、二氧化碳等，牛磺酸还可以生成硫酸盐等［11］。BSH促使胆固醇或胆汁进入微生物膜，增加微生物膜的弹性，增强对a防御素及其他保护分子的敏感性［12］。BSH还可以发挥解毒作用，使胃肠道的某些微生物能够不被胆汁酸杀死，得以存活［13］。脱羟基作用是生物转化作用中较为重要的一项。初级胆汁酸第7位a羟基脱氧生成次级胆汁酸，人粪便中以次级胆汁酸为主。厚壁菌门(如梭菌属)具有7a脱羟基活性。只有游离的胆汁酸盐才能进行7a脱羟基作用，因此在BSH作用下，结合胆汁酸转变成游离胆汁酸，是进行7a脱羟基作用的前提［13］。3.2调节肝脏胆汁酸合成肠道菌群不仅参与了次级胆汁酸代谢，而且可调节肝脏胆汁酸合成。研究发现，与无菌饲养(GF)小鼠相比较，传统饲养(CONV-R)小鼠中肠道菌群可抑制胆汁酸合成［14-15］。这可能是由于CONV-R小鼠体内CYP7A1活性及基因表达水平均有所下降，而CYP7A1是合成CDCA所必需的关键酶，这就造成啮齿类动物肝脏微粒体中CDCA经羟基化作用生成鼠胆酸(MCA)水平减少［16］。牛磺酸结合型MCA如T-aMCA、T-&MCA是FXR的拮抗剂，因此推测CONV-R小鼠中肠道菌群抑制胆汁酸合成的可能机制为低水平的MCA激活了回肠FXR,促进FGF15分泌，FGF15被转运至肝脏，与FGFR4结合，抑制CYP7A1活性［17］。动物实验表明，给予FXR敲除小鼠FGF19可以抑制胆汁酸合成，表明FGF15/19是FXR的下游产物，进而抑制CYP7A1活性［18］。另有研究证实，给予CONV-R小鼠抗生素后能够改变胆汁酸组分，抑制回肠FGF15基因表达，上调肝脏CYP7A1表达水平［19］。此外FXR也可以通过诱导SHP表达，进而抑制LRH-1，使CYP7A1表达水平下降，负向调节肝脏胆汁酸合成［17］。总之，肠道菌群不仅在肠道发挥作用，而且可调节肝脏胆汁酸合成。肠道菌群抑制肝脏胆汁酸合成的主要机制可能是水平下降的T-MCA促进了回肠FXR依赖性的FGF15表达。3.3影响肠道胆汁酸重吸收在肠道菌群正常存在的情况下，小鼠体内胆汁酸池体积较小。研究表明，CONV-R小鼠体内胆汁酸池体积小，这可能与CONV-R小鼠回肠钠/胆汁酸转运体(IBAT)的表达水平下降有关，造成远端回肠胆汁酸重吸收减少，粪便胆汁酸排泄增加［14］。有研究显示，从GF大鼠分离出的回肠上皮细胞对TCA的摄取水平增加，14C标记的TCA半衰期增加了4~5倍［20］,表明GF小鼠中胆汁酸重吸收作用增强，胆汁酸池体积变大。研究表明，经抗生素处理后肠道菌群减少，肠道胆汁酸重吸收增加，粪便中胆汁酸排泄显著减少［21］。胆汁酸重吸收增加可导致血浆胆汁酸水平、胆道分泌的胆汁酸水平及参与肠肝循环的胆汁酸水平均增加。这是因为胆汁酸重吸收受IBAT（又被称为顶膜钠离子依赖性胆汁酸转运体，Asbt）调节，在肠道菌群被破坏的环境下，回肠末端Asbt表达水平显著增加［22］。与野生型小鼠相比较，Asbt敲除小鼠粪便中胆汁酸排泄增加了10~20倍［23］。Asbt表达主要受转录因子Gata4调控，Gata4可抑制Asbt表达。在生理状态下，肠道菌群激活了肠道（回肠末端除外）Gata4的表达，使得Asbt表达水平下降，导致胆汁酸重吸收减少，但是肠道菌群调节Gata4的具体机制仍需要进一步的研究。综上所述，肠道菌群对胆汁酸代谢平衡具有调控意义。4胆汁酸代谢对肠道菌群的影响肠道菌群影响胆汁酸代谢，反过来胆汁酸可以调控肠道菌群的稳态。胆汁酸在脂代谢中发挥着清洁剂的功能；还可以通过与FXR、G蛋白偶联受体5（TGR5）等核受体结合，在代谢、免疫调节方面发挥重要作用［24］。FXR、TGR5发生基因突变后，可以导致炎症性肠病；给予FXR激动剂后可以改善实验性小鼠结肠炎［25］。以上研究表明肠道内胆汁酸激活FXR后，可以维持肠道菌群稳态、防止细菌移位、增强黏膜屏障防御作用。此外，胆汁酸有抑制细菌生长的作用，这种特性能够阻止细菌黏附到肠道黏膜的顶端。在胆汁淤积及终末期肝病患者中，肠道中的胆汁酸含量降低，造成细菌过度生长［24］。肝硬化患者肠道内结合胆汁酸浓度降低，非结合胆汁酸被大量吸收，从而使肠道细菌大量生长并发生细菌移位。给予肝硬化大鼠胆汁酸，提高肠道胆汁酸浓度，可能会抑制肠道细菌过度生长，减少细菌移位的发生[26]。5总结宿主及肠道菌群调节着胆汁酸池大小。通过胆汁酸盐水解作用及7a脱羟基作用，肠道菌群将初级胆汁酸转变为次级胆汁酸，进而激活FXR和TGR5等一系列核受体，参与肝脏胆汁酸合成、肠道胆汁酸重吸收等过程。饮食、肠道菌群、胆汁酸代谢之间保持着一种动态平衡。今后有望通过调节宿主-肠道菌群-胆汁酸轴来实现治疗糖尿病、肥胖等代谢性疾病的目的。参考文献：GerardP.Metabolismofcholesterolandbileacidsbythegutmicrobiota[J].Pathogens,2013,3:14-24.GillSR,PopM,DeboyRT,etal.Metagenomicanalysisofthehumandistalgutmicrobiome[J].Science,2006,312:1355-1359.TurnbaughPJ,QuinceC,FaithJJ,etal.Organismal,genetic,andtranscriptionalvariationinthedeeplysequencedgutmicrobiomesofidenticaltwins[J].ProcNatlAcadSciUSA,2010,107:7503-7508.BiagiE,NylundL,CandelaM,etal.Throughageing,andbeyond:gutmicrobiotaandinflammatorystatusinseniorsandcentenarians[J].PLoSOne,2010,5:e10667.ClaessonMJ,CusackS,O'SullivanO,etal.Composition,variability,andtemporalstabilityoftheintestinalmicrobiotaoftheelderly[J].ProcNatlAcadSciUSA,2011,108(Suppl1):4586-4591.DevkotaS,WangY,MuschMW,etal.Dietary-fat-inducedtaurocholicacidpromotespathobiontexpansionandcolitisinII10-/-mice[J].Nature,2012,487:104-108.StenmanLK,HolmaR,EggertA,etal.Anovelmechanismforgutbarrierdysfunctionbydietaryfat:epithelialdisruptionbyhydrophobicbileacids[J].AmJPhysiolGastrointestLiverPhysiol,2013,304:G227-G234.8王会敏，王正平，董旻岳.胆汁酸代谢与调控研究进展[J].国际消化病杂志,2010,30:79-82.HoekeMO,HeegsmaJ,HoekstraM,etal.HumanFXRregulatesSHPexpressionthroughdirectbindingtoanLRH-1bindingsite,independentofanIR-1andLRH-1[J].PLoSOne,2014,9:e88011.FangS,SuhJM,ReillySM,etal.IntestinalFXRagonismpromotesadiposetissuebrowningandreducesobesityandinsulinresistance[J].NatMed,2015,21:159-165.MartoniCJ,LabbeA,GanopolskyJG,etal.Changesinbileacids,FGF-19andsterolabsorptioninresponsetobilesalthydrolaseactiveL.reuteriNCIMB30242[J].GutMicrobes,2015,6:57-65.TarantoMP,FernandezMM,LorcaG,etal.BilesaltsandcholesterolinducechangesinthelipidcellmembraneofLactobacillusreuteri[J].JApplMicrobiol,2003,95:86-91.BegleyM,GahanCG,HillC.Theinteractionbetweenbacteriaandbile[J].FEMSMicrobiolRev,2005,29:625-651.SayinSI,WahlstromA,FelinJ,etal.Gutmicrobiotaregulatesbileacidmetabolismbyreducingthelevelsoftauro-beta-muricholicacid,anaturallyoccurringFXRantagonist[J].CellMetab,2013,17:225-235.Li-HawkinsJ,GafvelsM,OlinM,etal.Cholicacidmediatesnegativefeedbackregulationofbileacidsynthesisinmice[J].JClinInvest,2002,110:1191-1200.SwannJR,WantEJ,GeierFM,etal.Systemicgutmicrobialmodulationofbileacidmetabolisminhosttissuecompartments[J].ProcNatlAcadSciUSA,2011,108(Suppl1):4523-4530.ThomasAM,HartSN,KongB,etal.Genome-widetissue-specificfarnesoidXreceptorbindinginmouseliverandintestine[J].Hepatology,2010,51:1410-1419.MiyataM,SakaidaY,MatsuzawaH,etal.Fibroblastgrowthfactor19treatmentamelioratesdisruptionofhepaticlipidmetabolisminfarnesoidXreceptor(Fxr)-nullmice[J].BiolPharmBull,2011,34:1885-1889.BackhedF,LeyRE,SonnenburgJL,etal.Host-bacterialmutualisminthehumanintestine[J].Science,2005,307:1915-1920.RiottotM,SacquetE.Increa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