胆汁酸与关键内分泌和代谢信号通路之间的关系

徐运杰

（1.山东和美集团有限公司，山东 惠民 251700；2.唐人神集团股份有限公司，湖南 株洲 412000）

胃肠道（GI）中的营养感应是由专门的分化上皮细胞完成的，这些上皮细胞在食后加工处理和消化吸收过程中能感应到胃和肠腔中的营养素。营养感知的过程也被称为“品尝”，因为它实际上是指哺乳动物的味觉细胞从口腔开始对宿主所摄营养的化学感应。事实上，一些在口腔中调节味觉功能的分子机制也在小肠中起作用。肠内分泌（EE）细胞是特殊肠细胞，来源于干细胞的4种不同的上皮细胞系之一，干细胞位于黏膜内层，称为隐窝[1-2]。肠内分泌细胞占肠黏膜上皮细胞总数的比例＜1%，但其代表了体内最大的内分泌“器官”或系统。这些细胞在结构和功能上都很特殊，其具有开放型的形态，顶端的刷状边缘表面延伸到肠腔，并与营养物质接触，基底外侧面对质膜，当细胞被激活时，肠肽激素从细胞内分泌颗粒释放到血液中。

1 肠内分泌细胞的营养感应

EE细胞作为黏膜壁内的关键营养感应器，能够识别肠腔中的糖、脂肪酸、氨基酸和肽。因此，EE细胞在协调管腔营养物质的识别与激素和神经递质的分泌方面起着中心作用，这些激素和神经递质反过来调节肠道的生理功能，如运动、液体分泌和血液流动。EE细胞不同于其他上皮细胞，如胃壁细胞和肠上皮细胞。EE细胞有20多种不同的细胞类型，其肠道位置和分泌的激素类型各不相同[3]。肠内营养感知过程的一个重要生理因素是激活作为内在和外在神经回路一部分的传入神经末梢。这些位于黏膜壁的神经末梢能够表达多种肠道激素如胆囊收缩素（CCK）、胰高血糖素样肽-1（GLP-1）、肽（YY）的受体，以及在EE细胞和生理功能（如血流和分泌）之间形成旁分泌联系的神经递质。肠内EE细胞营养感应的一个具体例子是对管腔葡萄糖的反应。葡萄糖通过主要在吸收肠上皮细胞表达的钠葡萄糖协同转运蛋白1（SGLT1）从肠中吸收。研究表明，肠腔内的葡萄糖和非代谢性葡萄糖类似物的存在使SGLT1转运蛋白的表达上调[3]。葡萄糖增加肠细胞SGLT1表达的机制被认为与EE细胞有关，因为EE细胞也表达味蕾中存在的相同的味觉受体（T1R2+T1R3）。葡萄糖还激活EE细胞释放肠促胰岛素激素，如葡萄糖依赖性促胰岛素肽（GIP）、GLP-1和GLP-2，参与胰岛素分泌和外周葡萄糖摄取。研究认为，EE细胞中味觉受体T1R的葡萄糖依赖性激活触发了肠肽激素的释放，最终导致SGLT1表达和葡萄糖摄取增加。管腔葡萄糖还可以激活EE细胞释放5-羟色胺（5-HT）或血清素，通过与迷走神经传入回路的相互作用调节胃排空、胰腺外分泌和肠液分泌[3-4]。

2 胰高血糖素样肽的分泌

GLP-1和GLP-2来源于一个前胰高血糖素（又叫胰高血糖素原）基因。胰高血糖素原基因以一个包含6个外显子和5个内含子的2 kb转录本的形式表达，表达的原发部位有3个，分别是胰岛α细胞、回肠和结肠远端的肠内分泌“L”细胞以及大脑孤束核区的肠内分泌“L”细胞。GLP分泌的一个关键特征是由160个氨基酸组成的胰高血糖素原前体肽的组织特异性翻译后处理。动物采食后，组织特异性地调节胰高血糖素原的加工和分泌非常显著，即肠内GLP-1和GLP-2的分泌受到刺激，而胰高血糖素的分泌受到有效抑制。在胰腺α细胞中，前胰高血糖素肽主要被加工成胰高血糖素，而在肠L细胞和大脑区域，前胰高血糖素肽主要被加工成GLP-1和GLP-2。前体肽中的前胰高血糖素样肽片段由碱性氨基酸组成，这些氨基酸是细胞内肽酶（PC）的裂解位点。因此，这种前胰高血糖素样肽片段的终产物（即GLP-1、GLP-2和胰高血糖素）的差异分泌是通过在大脑和神经内分泌系统的选定细胞群中差异表达激素原转化酶来实现的，其中的两种酶，PC1/3和PC2，分别在肠L细胞和胰腺α细胞中表达。PC1/3负责胰高血糖素原C末端区域的裂解，在L细胞中形成GLP-1和GLP-2，而PC2负责胰高血糖素原N末端的裂解，在胰腺α细胞中形成胰高血糖素[5-6]。

采食或肠内营养注入是GLP-1和GLP-2分泌的主要刺激因素。肠内喂养对刺激GLP分泌的关键作用首次在狗身上得到证实[7]。研究表明，十二指肠内葡萄糖输注可使胰高血糖素样免疫反应的循环浓度增加100%，而静脉葡萄糖输注则无影响。这一观察结果引出了肠促胰岛素效应的概念，其描述了口服或肠内食物注入后，由于体液因素（称为肠促胰岛素）引起的肠相关胰岛素分泌增强。随后在动物和人类的研究报告证实了肠内营养刺激对GLP-1和GLP-2分泌的重要性[8-9]。Burrin等用新生仔猪研究表明，液体饲料比固体食物更能刺激相关胃肠激素的分泌[10]。在人体内的研究表明，碳水化合物和脂肪比蛋白质更能促进GLP的分泌。在猪体内，GLP-1分泌的增加更多的是由脂肪而不是葡萄糖刺激。回肠灌注研究表明，GLP-1的分泌是通过SGLT1转运蛋白转运葡萄糖、半乳糖和3-O-甲基葡萄糖，而不是由果糖、甘露糖、木糖或2-脱氧葡萄糖来刺激。体内和细胞培养的研究表明，单不饱和脂肪酸比饱和脂肪酸更能刺激GLP-1的分泌。尽管体内研究表明蛋白质和氨基酸是很弱的促分泌剂，但用啮齿动物研究表明，回肠灌流蛋白胨可刺激GLP-1分泌。其他的内源性管腔因子如胆汁酸也可以诱导GLP-1的分泌。

3 胆汁酸与关键内分泌和代谢信号通路之间的关系

3.1 胆汁酸的生理作用

胆汁酸（BA）作为信号分子的概念是一个相对较新的发展，因为以前认为胆汁酸的关键生理作用主要是脂肪的消化吸收和胆固醇的排泄[11]。胆汁酸是由肝细胞中的胆固醇合成的两亲分子。鹅去氧胆酸（CDCA）和胆酸是人和猪等许多物种的胆汁酸的主要成分。在肝脏内，胆汁酸与牛磺酸和甘氨酸结合，形成带负电荷的分子，一旦在肝细胞中合成和结合，胆汁酸就被输送到胆管中，在消化过程中完全电离，在小肠的pH下高度溶解。结合胆汁酸在胆管和小肠中的腔浓度较高，因为其不能渗透到胆道胆管细胞和肠上皮细胞的顶端膜和细胞旁连接处。

胆汁酸一旦分泌到肠道，其核心功能是溶解膳食脂质，促进其在消化道的消化吸收。大多数分泌到肠道的胆汁酸在小肠或回肠的远端被重新吸收，并通过门静脉血液循环再回流到肝脏，称为肠肝循环。在成人体内，胆汁酸含量约为2 g，每天经肠肝循环12次。每天分泌到肠内的胆汁酸，约95%的经门静脉血液循环再回流到肝脏，而剩下的5%经粪便排出，这是胆固醇排泄的主要途径。在小肠的消化过程中，结合胆汁酸会被肠腔细菌解偶联，转化为次级胆汁酸。结合胆汁酸解偶联始于小肠远端，因此回肠末端常呈现结合胆汁酸和非结合胆汁酸的混合物。结合胆汁酸在近端小肠中很难被吸收，但在回肠中被顶端的钠依赖性胆汁酸转运蛋白有效地吸收。胆汁酸一旦被回肠上皮细胞吸收，便与细胞溶质回肠脂质结合蛋白结合，并由有机溶质转运蛋白（OST）OSTα-OSTβ通过基底外侧膜进入门静脉循环[12]。

3.2 胆汁酸的受体和信号通路

Parks等和Wang等研究，发现胆汁酸是核受体法尼样X受体（FXR）的天然配体，胆汁酸作为信号分子的观点被确立[13-14]。FXR是核受体超家族的成员，在肝、肠、肾和肾上腺中高度表达。最有效的天然FXR配体是CDCA，但其他胆汁酸（即胆酸、石胆酸和脱氧胆酸）也能激活FXR。许多研究表明，FXR是胆汁酸的主要感受器，参与胆汁酸代谢的各个方面，包括胆汁酸在肝脏和肠中的合成、运输、解毒和排泄。胆汁酸的合成受到严格的调控，因为破坏会导致肝胆代谢紊乱，如胆汁淤积和纤维化。因此，通过直接激活FXR来调节胆汁酸的合成是一个中心调控机制。FXR激活能够潜在抑制胆固醇7α-羟化酶（CYP7A1）的表达，其是胆汁酸合成中的限速酶，通过调节胆汁酸合成、摄取和输出相关基因的表达来维持肝细胞胆汁酸稳态。

另一个FXR信号通路是抑制肝胆汁酸合成的负反馈机制，涉及成纤维细胞生长因子（FGF）19。用小鼠研究表明，FXR能够刺激肠FGF15及其人类同源FGF19的转录，FGF19是分泌因子，能够抑制CYP7A1在离体肝细胞和小鼠中的表达[15]。Kim等研究表明，肝（FxrL）或肠（FxrIE）中的组织特异性FXR基因敲除增加了胆汁酸池的体积[16]。然而，用FXR选择性激动剂GW4064治疗能显著抑制FxrL小鼠的CYP7A1，而对FxrIE小鼠则没有。这表明CYP7A1的抑制主要是由FXR在肠道而不是肝脏的激活所介导的。研究证实，小鼠肠道FGF15的选择性激活对肝脏有保护作用，防止胆汁淤积[17]。通过FXR诱导肠FGF19分泌主要发生在回肠远端的上皮细胞中，因为这是胆汁酸转运蛋白表达最高的地方[12]。

关于FXR-FGF19轴在肠上皮细胞中的组织特异性定位和分子调控知之甚少，值得进一步研究。FGF19的受体是FGF受体4（FGFR4），在肝脏中丰富，缺乏FGFR4的小鼠胆汁酸池增加。通过FGFR4激活细胞内FGF19信号还需要辅助受体β-Klotho的参与，而这种辅助受体的组织特异性表达是FGF19反应性的重要决定因素[18]。用胆甾胺（消胆胺）治疗导致血清7α-羟基胆固醇-4-EN-3-One（C4，即CYP7A1活性的标志物）升高和FGF19水平降低，而CDCA治疗使血浆FGF19升高和血清C4降低[19]。Jain等研究发现，全肠外营养（TPN）显著降低了仔猪循环FGF19的浓度（P＜0.05），表明肠腔胆汁酸刺激对维持TPN新生仔猪循环FGF19分泌的重要性[20]。FGF19是一种新的肠因子，通过胆汁酸激活肠内FXR而诱导分泌，在胆汁酸合成的反馈抑制中起到肠肝信号的作用。

另一个主要的胆汁酸受体是G蛋白偶联膜受体（GPCR）TGR5，也称为G蛋白偶联胆汁酸受体1（GPBAR1）或GPR131[21-22]。TGR5是一种细胞表面胆汁酸受体，是GPCR类视紫红质亚家族的一员。最初被认为是一个孤立的GPCR，TGR5最近重新归类为GPCRs41胆汁酸受体亚类。人TGR5被多种胆汁酸激活，石胆酸是最有效的天然激动剂，而其他结合和非结合胆汁酸也能激活TGR5，包括脱氧胆酸、CDCA和胆酸。TGR5受体mRNA在胆囊中转录最多，在棕色脂肪组织、肝脏和肠道中转录较少。广泛的组织表达谱和在哺乳动物中高度保守的事实表明，TGR5在生理和代谢中具有重要作用。TGR5在胆道、胆囊和胃肠组织中的高表达表明其在胆汁酸信号和肠道功能中的重要性。也有研究表明，TGR5在胆囊充盈和收缩中起重要作用[23]。研究发现TGR5在肠上皮内的原代肠内分泌细胞中表达，在肠内分泌细胞系中高表达。此外，Reimann等和Parker等研究表明，胆汁酸能够激活肠内分泌细胞中的环磷酸腺苷（cAMP）和钙信号，从而触发GLP-1和GLP-2分泌进入门静脉[24-25]。结合胆汁酸通过顶端钠依赖性胆汁酸转运蛋白（ASBT）转运到回肠上皮细胞，并结合细胞内回肠脂质结合蛋白（ILBP），然后通过有机溶质转运蛋白（OST）转运到门静脉。Thomas等研究表明，TGR5受体作为胆汁酸诱导GLP-1分泌的分子机制非常重要[26]。

4 胆汁酸的代谢作用

胆汁酸刺激肠内不同上皮细胞分泌FGF19和GLP-1，产生内分泌信号，在体内具有多种代谢作用。肠腔胆汁酸对FGF19分泌以及GLP-1和GLP-2分泌具有差异激活作用，FGF19作用的靶点主要是肝脏和肠肝胆汁酸分泌的负反馈，GLP-1和GLP-2作用的靶点分别是胰腺β细胞和胃肠黏膜。如前所述，肠内FGF19分泌的主要作用是调节肝脏胆汁酸稳态，但FGF19的功能远远超出胆汁酸稳态。

FGF19对葡萄糖、蛋白质和脂质代谢有重要的调节作用[18,22]。FGF19在小鼠体内的过度表达降低了脂肪和血清甘油三酯，提高了代谢率和血糖控制[27-28]。同样，FGFR4基因敲除小鼠表现出葡萄糖不耐受、血脂异常和肥胖增加，这些表型似乎是由肝脏FGFR4的表达所决定[29]。在老鼠身的研究发现，FGF19作为一种平行但独立的内分泌激素，与胰岛素一起控制肝脏葡萄糖和蛋白质代谢，FGF19在抑制糖异生的同时，诱导了肝糖原和蛋白质的合成，这些代谢效应是通过细胞内信号途径介导的，这些信号途径与胰岛素控制的信号途径是分开的[30]。FGF19对肝脏脂质代谢的影响知之甚少，但可能增加脂肪酸氧化并抑制甘油三酯合成，两种结果均可减少肝脂肪变性。

胆汁酸对EE细胞分泌GLP的诱导具有多种代谢作用。然而，大多数研究都集中在胆汁酸诱导的GLP-1分泌上，因为这对糖尿病和肥胖症的治疗具有重大意义。GLP-1是餐后促胰岛素分泌的主导激素，可刺激胰岛素分泌，增加血糖清除率和胰岛素敏感性，减少胰高血糖素分泌和肝糖原异生，减少胃排空和降低食欲[31-32]。GLP-1受体位于肝脏、胰腺和肠黏膜等这些组织的细胞内，也存在于可能在肠道和大脑之间的神经反射中发挥作用的神经中。增强GLP-1分泌和生物学功能可以治疗和控制2型糖尿病[33]。此外，这些肠激素的生物活性由二肽基肽酶-4（DPP-4）的活性调控。

Thomas等报道，可以通过口服胆汁酸增加GLP-1的分泌，防止代谢功能障碍和葡萄糖不耐受[26]。胆汁酸螯合剂是为了限制胆汁酸介导的脂类和胆固醇在肠道中的吸收而开发的，其中包括胆甾胺和鞘氨醇等药物[34]。对动物和人类糖尿病患者的研究表明，胆汁酸单独或与DDP-4抑制剂联合应用可改善血糖和胰岛素敏感性，增加胰腺β细胞质量，增加GLP-1分泌[34]。胆汁酸螯合剂治疗改善血糖，是通过胆汁酸诱导TGR5和增加GLP-1分泌来介导的。肥胖者或啮齿动物在胃旁路术（RYGB）或袖状胃切除术后血糖和胰岛素敏感性的改善和食欲的抑制与肠促胰岛素激素如GLP-1的分泌增加有关[15,35]。目前还不清楚减肥手术的代谢作用是否涉及肠FXR-FGF19轴的激活，但Pournaras等和Ryan等研究发现，肥胖患者在RYGB手术后不久血清FGF19浓度升高[36-37]。

以上的讨论主要集中在胆汁酸诱导的FGF19和GLP-1对肝脏和胃肠道外周组织代谢的内分泌作用上。然而，肠腔中胆汁酸所触发的多种生理作用不仅涉及FGF19或GLP-1，还涉及肠内分泌细胞分泌的其他肠道激素，包括GLP-2和肽YY。研究发现，猪肠外胆汁酸输注后血浆GLP-2浓度的升高与肠道生长有关[38]。破坏肠道胆汁酸转运蛋白（OSTα）也导致肠长度、重量和绒毛形态的增加[39]。这些研究结果表明，肝肠循环的丧失和粪便中胆汁酸的积累，导致GLP-2分泌增加，触发了小肠内的营养作用。但是胆汁酸的营养作用是否由TGR5介导的GLP-2分泌增加来解释有待进一步研究。

5小 结

随着营养感应分子基础的成熟，消化生理学领域的研究迅速扩展。新的细胞受体对肠道特殊营养物质和分泌因子的感应机制的发现已经成为一个非常活跃的研究领域。肠FXR-FGF19信号通路的深入研究揭示了一种新的肠因子FGF19在调节胆汁酸平衡和调控糖脂代谢中发挥的作用。TGR5是EE细胞内胆汁酸感应与肠促胰岛素激素分泌之间的分子联系，这一发现将胆汁酸列入了营养物质清单。虽然这些信号通路生物学的大部分信息都来自于对啮齿动物和人类的研究，但是这些途径的生物学功能对猪的健康和生长具有重要的影响。这将在新生和断奶仔猪的营养方面有许多潜在的应用价值，因为猪从出生到断奶这段时期，日粮的成分和营养质量以及胃肠生理的成熟和发展都发生了深刻的变化。幼猪在生理上适应这些变化的程度决定了其未来的生存、健康和生长速度。在断奶期和保育期日粮中添加商品胆汁酸盐或DPP-4抑制剂促进GLP-2的分泌和提高GLP-2的生物活性，有利于增加肠道的生长、提高消化能力和降低腹泻率。另外，天然TGR5激动剂也可以调节断奶仔猪GLP-2的分泌。理清肠道胆汁酸感应与关键的内分泌和代谢信号通路之间的关系，有助于商品胆汁酸盐在养猪业的合理应用和新饲料添加剂的研发。