源于肠道菌群的γ-氨基丁酸对机体的调节机制

李佳佳，杨 彪，陈明星，吴建云

(西南大学 动物科技学院，重庆 400715)

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)是中枢神经系统主要的抑制性神经递质，由谷氨酸脱羧酶(glutamic acid decarboxylase，GAD)催化L-谷氨酸发生脱羧反应生成的一种非蛋白质氨基酸(C4H9NO2)。GABA受体包括GABAA、GABAB、GABAC等3种类型。GABA不仅存在于脑组织中，在肝脏、肾脏、胃、小肠以及生殖器官等许多外周组织中都有GABA表达[1-2]。近年来的研究表明，肠道菌群在调节中枢神经系统生理[3]、焦虑[4]、抑郁[5-6]、内脏疼痛[7]和社会行为认知[8-10]等多方面发挥着重要作用。据报道，肠道菌群尤其是乳酸菌和双歧杆菌可产生大量的GABA，这些GABA与食欲[11]、睡眠[12]、精神抑郁[13]和糖尿病[14]等密切相关。肠道菌群产生的GABA通过调节神经系统、血液代谢和黏膜免疫等作用于机体。现主要就来源于肠道菌群的GABA对机体的调节机制进行综述，为GABA、肠道菌群的基础研究以及临床应用提供参考依据。

1 合成GABA的肠道菌群种类

在胃肠道中，寄生了约100万亿、近1 150种微生物[15]，包括细菌、病毒、噬菌体、寄生虫和真菌等。其中，细菌的种类高达300～1 000种，以厚壁菌门和拟杆菌门细菌占较大比例，放线菌门、变形菌门和疣微菌门细菌次之[16]，这些细菌在很大程度上影响着整个菌群的功能，各菌之间相互制约，相互依存，决定着菌群对宿主的生理、病理作用。研究发现，有多种能够合成GABA的肠道细菌，其中乳酸菌和双歧杆菌是产生GABA的主要肠道细菌[17-20]。由于天然动植物性食品中GABA的含量较低，能够产生GABA的肠道菌群，特别是乳酸菌和双歧杆菌等食品级的有益菌越来越受到重视。

2 肠道菌群对GABA的合成作用

细菌GABA由gadB和gadC基因编码的GAD催化合成，细胞通过特异的转运体摄入谷氨酸，在细胞内经过不可逆的L-谷氨酸脱羧和消耗一分子胞内质子生成GABA，再由GABA反向转运体排出胞外[21]。人类大部分肠道菌群中都含有编码GAD的基因[19]，而乳酸菌中的植物乳酸杆菌(L.plantarum)、副干酪乳杆菌(L.paracasei)和乳酸乳球菌均有产生谷氨酸的能力[22]。研究发现，植物乳酸杆菌(L.plantarum)、青春型双歧杆菌(B.adolescentis)、婴儿双歧杆菌(B.angulatum)均被报道能够产生GABA，并且这些细菌中都含有编码GAD的gadB和gadC基因[17]。同时，细菌生成GABA消耗的胞内质子使得细菌pH值升高，这让胃肠道内形成了一个良好的微酸性环境，可保护细菌在胃酸等强酸性环境中存活并在小肠中定植下来。

宿主通过摄入益生菌或肠道微生物直接利用饮食中的谷氨酸钠(monosodium glutamate，MSG)生成GABA。BARRETT等[20]研究发现，肠原性短乳杆菌(L.brevis) DPC6108菌株能将90%的MSG转化为GABA，而齿双歧杆菌(B.dentium)对MSG也具有较高的转化能力[17]。

3 源于肠道菌群GABA对机体的调节

肠道菌群产生的GABA，可以通过作用于神经系统、循环系统、肠道菌群以及肠道免疫等不同途径(图1)，发挥对机体的多方面调节。

3.1 神经通路途径胃肠道和中枢神经系统之间可通过肠神经系统(enteric nervous system，ENS)相互影响。ENS由2～6亿个神经元组成，被称为“第二大脑”。研究发现，在ENS的肌间神经丛和黏膜下神经丛中存在GABA能信号系统，包括GABAA、GABAB受体和GABA转运体(γ-aminobutyric acid transporter，GAT)[23-24]。ENS中约有20%的神经元为初级传入神经元，微生物产生的GABA能信号可能通过这些传入神经元作用于脊神经和迷走神经调节中枢活动，缓解精神焦虑、抑郁和内脏疼痛等疾病。

图1 源于肠道菌群的GABA对机体的调节途径

3.1.1脊神经 背根神经节(dorsal root ganglia，DRG)是感觉传导的初级神经元，能将来自身体感受器的神经冲动传送到脊髓，作为痛觉传入的第一站，是神经病理性疼痛治疗的重要靶区。给内脏疼痛的大鼠添加B.dentium后发现[19]，B.dentium在结肠内生成了大量的GABA，GABA抑制了肠道感觉神经元的兴奋性，使背根神经节敏感性降低，痛觉传输受到了抑制。肠道菌群产生的GABA能够与肠道痛觉感受器的传入神经末梢上的GABAA受体结合，去极化后产生抑制作用，使DRG神经元投射到特殊伤害感受型神经元(nociceptive specific，NS)的神经递质减少[25]。另外，GABA还可直接通过激活DRG神经元上的代谢型GABAB受体而直接发挥抑制作用[19]。B.dentium和其他产生GABA的肠道微生物未来可能成为治疗复发性腹痛和功能性肠病的潜在方法。

3.1.2迷走神经 迷走神经是脑神经中行程最长，分布范围最广的1对混合神经，其内脏感觉神经纤维主要支配胸腹腔脏器的感觉冲动，部分神经末梢直接或间接支配着胃肠道壁的感觉信号传入，感觉信号经迷走神经传入脑干的孤束核(nucleus tractus solitarius，NTS)。研究发现，在小鼠胃肠道迷走神经传入神经元-结状神经节(nodose ganglion，NG)部位，含有编码GABA受体的基因，刺激迷走神经外周端可使大脑皮质GABAA受体和GAD阳性细胞数量增加，迷走神经感知肠道中的GABA信号并将信号传递至大脑[26-29]。鼠李糖乳杆菌(JB-1)也是一种能够合成GABA的肠道细菌[30]。研究发现，饲喂JB-1后，小鼠大脑皮层GABAB受体亚基B1mRNA、前额叶皮层和杏仁核GABAA受体亚基α2mRNA表达量增加，压力引起的皮质酮含量升高被抑制，焦虑抑郁症行为减少，而在迷走神经切断的小鼠模型上并没有发现相关的神经递质和行为学改变[13]。由此推测，JB-1通过产生的GABA激活了胃肠道壁上的感觉信号传入神经元，然后经迷走神经通路直接调控了中枢神经系统。但是，肠道菌群产生的GABA与迷走神经之间相互作用的分子机制并不清楚，还需要做进一步的研究。

3.2 循环系统途径循环系统是由心血管系统和淋巴系统组成的分布于全身的连续封闭管道系统。肠道中消化产生的营养物质以及肠道菌群产生的小分子物质、神经递质、免疫信号分子和激素等通过肠道屏障进入血液循环，在外周组织器官或通过血脑屏障作用于中枢神经系统发挥作用。一直以来，大多数的研究表明GABA不能通过血脑屏障(blood brain barrier，BBB)，但有少量的研究提出了不同的观点。通过特殊转运分子的主动摄取或扩散作用，GABA能通过BBB进入脑内[31]。当采用双侧原位脑灌注技术时发现,新生大鼠对14C-GABA具有较高的转运和扩散能力[32]。更有研究证明，BBB中存在GABA转运体GAT-2和BGT-1，并参与了GABA的转运[33]。这些发现为探索外源性GABA对大脑的调控提供了一条新的路径。到目前为止，肠道菌群产生的GABA是否通过BBB对中枢神经系统产生作用还尚未见相关报道。肠道菌群产生GABA进入循环系统发挥着多种生理作用。

3.2.1调节血液代谢 研究发现，大鼠十二指肠、回肠和结肠的肠神经胶质细胞和肌肠神经元中分别含有GAT-2、GAT-3转运体蛋白[34]。外源摄入GABA后可发现血液中GABA含量显著上升[35]，提示外源性GABA能够透过肠道屏障进入血液循环。与无菌小鼠相比，常规饲养小鼠血浆中多巴胺和GABA水平升高[36]。丰富的肠道菌群能够产生更多的GABA进入血液循环，调节机体的抗氧化和胰岛素水平。饮水中添加产GABA的植物乳杆菌，提高了小鼠血清总抗氧化(total antioxygentic capacity，T-AOC)和总超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)的活性，降低丙二醛(malonic dialdehyde，MDA)水平[37]。相关的机制可能与GABAB受体调控丝氨酸苏氨酸蛋白激酶/糖原合成激酶-3β/核因子相关因子2(protein kinase B，Akt/ glycogen synthase kinase-3beta，GSK-3β/nuclear factor-erythroid 2-related factor，Nrf2)信号通路有关。通过Akt/GSK-3β/Nrf2信号通路，GABAB受体上调了Nrf2表达[38]。Nrf2蛋白作为调控细胞氧化应激反应的重要转录因子，提高了相关抗氧化酶基因的转录，如SOD和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)[39]。

另外，通过粪便菌群移植技术，把较瘦的人的粪便菌群移植给肥胖的人后发现，肥胖者血浆中的代谢产物GABA水平升高，胰岛素的敏感性增加[40]。GABA能够诱导脾脏CD4+T细胞分化为Foxp3+调节性T细胞(Foxp3+regulatory T cells，Foxp3+Treg)，Foxp3+Treg细胞是炎症反应的负调节因子，可抑制肥胖的低度炎性反应状态和胰岛素抵抗，提高胰岛素敏感性，改善机体肥胖状态。同时，给小鼠灌喂多形拟杆菌后发现，多形拟杆菌能够促进谷氨酸盐代谢为GABA，降低血清谷氨酸盐的浓度，促进脂肪细胞分解和脂肪酸氧化，从而降低脂肪堆积减轻体质量[18]。鉴于使用GABA对人体的不良反应较小，临床上使用产GABA的肠道微生物或粪便微生物群移植，对预防肥胖和治疗相关代谢疾病具有重要价值。

3.2.2调节HPA轴 下丘脑-垂体-肾上腺轴(the hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA axis)是神经内分泌系统的重要组成部分，参与应激反应。研究发现，正常小鼠血浆GABA的水平高于无菌小鼠[36]，给无菌小鼠移植正常小鼠的粪便菌群后，压力引起的血浆皮质酮和促肾上腺皮质激素(adrenocorticotropin hormone，ACTH)含量升高的现象被抑制[41]。肠道菌群能够缓解应激状态下HPA轴反应过激的能力可能与产生的GABA有关。下丘脑室旁核作为HPA轴的直接控制部位，存在着大量的GABA能神经元，下丘脑背内测核表达GAD65基因[42]，而促肾上腺皮质激素释放激素(corticotropin-releasing hormone，CRH)神经元表达GABAA受体亚基[43]。在热应激状态下，饲料中添加GABA能够显著降低奶牛血清中CRH、ACTH水平[44]，降低热应激带来的损害。肠道菌群产生的GABA进入血液可能调节了与HPA轴相关的激素水平，从而降低了HPA轴的应激状态。

3.3 肠道菌群途径人类肠道菌群中具有多个属的细菌能够产生和消耗GABA。肠道菌群产生的GABA作为生长因子，可以促进肠道菌群中其他细菌的生长。利用基因组学技术分析发现[5]，脆弱拟杆菌产生的GABA能够为瘤胃球菌科革兰阳性细菌(KLE1738)提供生长所需的能量和碳源。在饮水中添加产GABA的植物乳酸杆菌，能够显著地提高肠道内乳酸菌、双歧杆菌等有益菌的数量，降低大肠杆菌、肠球菌等致病菌的数量，增加肠道菌群的种类[37,45]。目前，肠道菌群中仍有23%～65%的微生物未被培养，GABA对这些微生物的生物学功能以及由此对机体产生的影响还有待进一步研究。

3.4 肠道免疫途径肠道黏膜被认为是防御外来病原体入侵的第一道防线，它能表达多种免疫细胞因子，包括肠道免疫系统产生的炎性细胞因子、潘氏(Paneth)细胞产生的α防御素、浆细胞分泌的免疫球蛋白A(lgA)、杯状细胞产生的黏蛋白等。肠道菌群与肠黏膜免疫系统的发育，免疫稳态和炎症反应密切相关，两者相互作用保护机体免受病原微生物的侵害[46-47]。研究表明，免疫细胞具有合成和分解代谢GABA的作用，抗原递呈细胞(antigen presenting cells，APCs)可以表达功能性GABA受体亚基[48]。在胃肠道中，GABA存在于肠神经元和内分泌细胞中，作为神经递质和内分泌介质影响胃肠道功能。饮食中的GABA可通过调节肠道免疫系统发挥作用，如抑制炎性因子IL-1和IL-18基因表达，促进抗炎细胞因子IFN-γ、IL-4和IL-10等基因表达[49]。产生GABA的脆弱拟杆菌可借助lgA黏附到肠道上皮细胞上，保护小鼠免受肠炎和多发性硬化症的影响[50]。REN等[51]研究发现，仔猪大肠杆菌感染时，乳酸乳球菌产生的GABA能通过激活雷帕霉素靶蛋白复合物1-核糖体蛋白S6激酶1(mTORC1-S6K1)信号通路增加空肠中白细胞介素IL-17水平。IL-17能够促进局部趋化因子的产生，将单核细胞和中性粒细胞聚集到炎症部位，以对抗外来病原体的入侵[52]。

4 展望

肠道菌群产生的GABA在焦虑抑郁、肠道功能紊乱和代谢异常等疾病中具有不可忽视的作用。目前，对肠道菌群产生的代谢物质的研究主要集中在血清素、短链脂肪酸及其主要代谢产物上，但对GABA的研究却较少。未来的研究需要在弄清更多产生GABA的肠道菌群种类的基础上，揭示源于肠道菌群GABA在体内的生理功能和作用机制，进一步深入开展基于GABA在抗抑郁、促免疫，抗应激、调食欲等方面的开发和利用，对于促进人们精神健康，减少畜牧业中抗生素的使用，具有重要的现实意义。