胆汁酸代谢与肠道微生物

宋 波， 文国琴， 王 蔺

(西华师范大学 生命科学学院，四川 南充 637000)

肠道微生物作为人体不可缺少的代谢器官，其与宿主发生相互作用并产生大量的代谢物，如胆汁酸、胆碱、短链脂肪酸等，这些小分子代谢物与机体内的同源受体发出信号用以调节机体的代谢功能。现有研究表明，很多慢性疾病，如肥胖、抑郁症、消化道肿瘤等可能的靶位点位于肠道微生物组。胆固醇通过肝脏中酶的氧化产生大量的胆汁酸，经由肠道微生物的代谢，激活不同受体。这些受体的激活改变了机体中不同组织的基因表达，进而改变了胆汁酸代谢、葡萄糖稳态、脂质和脂蛋白代谢、能量消耗、肠道运动和细菌生长、炎症、肝脏再生和肝癌的发生等[1-2]。 在人体和动物机体内，肠道微生物与胆汁酸代谢之间是相互作用、相互影响、相互调控的。一项实验研究表明，将含丰富饱和脂肪酸的食物喂食给正常小鼠，小鼠机体内肝脏中牛磺胆酸的合成将会增加，并且有利于肠道中微生物菌群的生长[3]。小鼠食用脂肪含量较高的食物以后，会引起肠道微生物菌群失衡，胆汁酸代谢紊乱；降低了熊脱氧胆酸的合成浓度，但是提升了脱氧胆酸的合成浓度，使肠黏膜屏障被破坏，进而引起胃肠道癌症的发生[4]；近年的研究发现，胆囊中胆固醇结石病[5]的形成、非酒精性脂肪性肝病[6]的形成以及结直肠癌(CRC)[7]和炎症性肠炎的发生都与胆汁酸失调有关，此外胆汁酸的细菌代谢物可促进外周血调节性T细胞的产生，抑制自身免疫反应和炎症，从而阻碍大肠癌的发生发展[8]。由此可见肠道微生物与胆汁酸代谢之间是相互影响的，正确认识机体肠道微生物与胆汁酸代谢间的相互作用意义重大。本文着重介绍肠道微生物与胆汁酸在机体内的代谢过程以及涉及的信号通路和功能。

1 胆固醇代谢生成胆汁酸

胆汁酸(Bile Acid, BA)是人体和动物胆汁中的重要化合物和结构成分，肝脏是形成胆汁酸的主要场所[9]。胆汁酸的合成受到饮食的巨大影响，人体内的胆汁酸由游离型胆酸、初级结合型胆酸以及次级游离胆酸组成，其中游离型胆酸是由鹅去氧胆酸(CDCA)和胆酸(CA)构成，初级结合型胆酸由牛磺鹅脱氧胆酸、甘氨鹅脱氧胆酸、牛磺胆酸以及甘氨胆酸组成，次级游离胆酸由石胆酸和脱氧胆酸组成[10]。胆汁酸是一类重要的宿主衍生化合物，对宿主及其肠道菌群具有多种重要的生理功能和作用[11]。胆汁酸是胆固醇的代谢产物，胆汁酸的转化需要肠道微生物菌群的帮助，经典途径和替代途径是胆汁酸合成的两个途径，由胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1)、甾醇12α-羟化酶(CYP8B1)、胆固醇27α-羟化酶(CYP27A1)等大量与胆汁酸合成有关的酶共同调节。已有研究证实，在胆汁酸合成的经典途径中，人体肝脏中的胆固醇在CYP7A1的催化作用下生成7α-羟基胆固醇，随后在3β-羟基-Δ5-C27-类固醇脱氢酶(3β-HSD)、CYP8B1及CYP27A1的催化作用下，7α-羟基胆固醇被催化生成初级胆汁酸，即游离型胆酸(CA)和鹅去氧胆酸(CDCA)。

在替代途径中胆固醇在CYP27A1的催化下生成27α-羟基胆固醇，随后在CYP7B1作用下生成鹅脱氧胆酸。随后游离型的胆酸通过自身的酰胺键分别与甘氨酸和牛磺酸结合生成结合型胆汁酸进入机体肠道中。牛磺胆酸经过机体肠道细菌的水解脱羟作用最终形成脱氧胆酸(DCA)。在鹅脱氧胆酸代谢时，甘氨鹅脱氧胆酸是由甘氨酸以及鹅脱氧胆酸组合而成，机体肠道细菌水解甘氨鹅脱氧胆酸脱羟形成石胆酸(LCA)，鹅脱氧胆酸还能与牛磺酸发生反应形成牛磺鹅脱氧胆酸[12-13]。胆固醇7α-羟化酶是机体胆汁酸合成的限速酶，在胆汁酸合成的过程中，该酶的活性可以调节胆汁酸的合成速率，在一项实验研究中已被证实。实验组的大鼠用胆汁酸进行喂养，与正常喂养的大鼠比较，实验组大鼠体内7α-羟化酶的活性降低，并且其体内胆汁酸合成速率也明显降低[14]。胆汁酸合成后通过胆盐输出泵排入胆囊储存，当机体进食后，胆囊中的胆汁酸排入肠道帮助机体消化吸收食物中的脂类物质，机体内的胆汁酸水平并不是一成不变，它处于稳态环境中，在回肠末端95%的胆汁酸会被重吸收进行肠肝循环，5%的胆汁酸随粪便排出，经过肠肝循环系统对有限的胆汁酸进行重复利用[12，14]。这个过程称为胆汁酸肠肝循环，人体内每天大约发生6次。大多数胆汁酸通过肠细胞的ASBT(顶膜钠依赖性胆盐转运体)在回肠末端被重吸收，在肠道胆汁酸蛋白的帮助下，胆汁盐由肠上皮细胞转运到基底外膜侧进入血液[15-16]。

图1 胆汁酸的合成与代谢Fig.1 Synthesis and metabolism of bile acids

2 肠道微生物与胆汁酸代谢

2.1 肠道微生物参与胆汁酸的合成

微生物可以在肠道中对上述合成的胆汁酸进一步修饰，从而形成一系列肠道胆汁酸代谢产物。这些代谢产物可以作为重要的信号分子通过胆汁酸受体调节宿主的胆固醇代谢及能量平衡。肠道微生物参与胆汁酸的合成增加了胆汁酸多样性以及胆酸池的疏水性，有利于胆汁酸的排泄。肠道微生物对胆汁酸的修饰作用主要包括对胆汁酸的早期解偶联、脱氢作用、脱羟基作用及差向异构[10]。结合型胆汁酸进入肠道后会被肠道细菌产生的胆汁酸盐水解酶 (bile salt hydrolases，BSHs)催化，进而使结合型胆汁酸C-24与氨基酸结合的N-乙酰氨基键进行解偶联形成游离型胆汁酸。研究发现在机体肠道中有许多的微生物菌群均可以产生胆汁酸盐水解酶，如双歧杆菌、乳酸杆菌、拟杆菌、李斯特菌以及梭菌等都具有胆汁酸盐水解酶活性[17]。游离型胆汁酸在梭杆菌、梭菌等的催化作用下发生7α-羟基脱氧，同时在梭菌、真杆菌、瘤胃球菌、拟杆菌、消化链球菌等肠道微生物菌群产生的羟基类固醇脱氢酶(HSDH)催化作用下，游离型胆汁酸上的C-3、C-7、C-12位上的羟基脱氢，进而生成次级胆汁酸脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)[7]，结果如图1所示。DCA水平的增加与小鼠的肥胖和癌症有关，这进一步支持了微生物的胆汁酸转化对宿主代谢的重要作用[1]。

代谢组研究发现C57BL/6的小鼠在肠道微生物对胆汁酸的脱羟基化和去偶联的作用下，从小肠到大肠的延续过程中，初级胆汁酸逐渐降低，次级胆汁酸逐渐增加[21]。与饲喂正常食物(rich-diet)的无特定病原体(Specific pathogen free, SPF)小鼠相比，饲喂半化学调配食物(minimal-diet)的SPF小鼠以及饲喂正常食物的无菌(Germ free，GF)小鼠通过质谱检测了以上3组小鼠粪便中的各类胆汁酸组分的变化。与rich-diet的SPF小鼠相比，minimal-diet的无特定病原体小鼠肠道中肝脏来源的牛磺酸结合的初级胆汁酸水平显著下降，而rich-diet的GF小鼠中这类胆汁酸水平却升高了。结果说明饮食可以直接控制胆汁酸的肝脏合成，而微生物主要控制胆汁酸在肠道中的修饰过程[8]。

微生物的HSDH作为肠道微生物组成和宿主代谢的潜在调节剂，可能为微生物群如何调节宿主内的信号通路开辟新的途径[1]。

2.2 肠道微生物通过FXR对胆汁酸的影响

肝脏法尼醇受体(FXR)也叫胆汁酸受体，研究发现其在胆汁酸合成代谢密切相关的器官中高度表达，如肝脏、小肠等，对机体胆汁酸合成起着调控作用[18]，胆汁酸中的胆酸、鹅脱氧胆酸、石胆酸、脱氧胆酸是肝脏法尼醇受体的激动剂，7α-羟化酶(CYP7A1)是胆汁酸合成的启动子(限速酶)。在肝脏中，胆汁酸活化的FXR诱导小异二聚体伙伴(SHP)的表达，与肝受体同源蛋白-1 (LRH-1)结合，从而抑制Cyp7a1基因的表达，除了肝脏中的局部作用外，FXR还被远端回肠中的胆汁酸激活，在回肠处FXR诱导FGF15(人类为FGF19)的表达。所以法尼醇受体-成纤维细胞生长因子15/19(FGF15/19)信号通路在胆汁酸合成中具有重要作用。益生菌鼠李糖乳杆菌GG(LactobacillusrhamnosusGG， LGG)对胆管结扎(BDL)小鼠的研究中发现[19]，BDL组小鼠与假手术组的小鼠比较，BDL小鼠肝脏中的鹅去氧胆酸含量降低(鹅去氧胆酸是FXR的强激动剂)，T-αMCA和T-βMCA浓度升高(MCA是FXR的拮抗剂)，BDL小鼠肝脏CYP7A1的mRNA表达水平升高，FGF15的表达显著降低，肝脏中胆汁酸含量和总胆汁酸池大小明显升高，采用LGG治疗后胆汁酸含量和总胆汁酸池大小显著降低；同时在BDL小鼠回肠组织中发现FXR靶基因shp的mRNA表达水平、FGF15的mRNA表达水平也显著降低，而LGG可以抑制FGF15蛋白水平的降低。由此证实BDL小鼠中，LGG治疗介导的胆汁酸合成减少是通过上调肠道FXR-FGF15信号通路实现的。另有研究证实[20]，传统饲养小鼠体内的胆汁酸水平降低，而无菌饲养的小鼠胆汁酸水平升高, 可能是由于传统饲养小鼠体内肠道微生物菌群使小鼠体内的MCA水平降低，激活FXR，使FGF15的表达升高，进而抑制CYP7A1的活性来抑制胆汁酸的合成。

总之，肠道微生物菌群不仅参与胆汁酸的去偶联、脱氢、脱羟基等过程，还通过FXR-FGF15/19途径负向调节胆汁酸的合成。

2.3 肠道微生物参与调节胆汁酸的正常代谢

机体胆汁酸的代谢是由肠道微生物介导的过程，肝脏细胞中合成的胆汁酸经胆囊排入肠道的整个代谢过程受肠道微生物菌群的调控。胆囊结石病患者中肠道微生物处于失衡、并且胆汁酸代谢也处于紊乱状态，可能是因为机体肠道微生物菌群失衡进而影响机体胆汁酸的肝肠循环，使得胆汁酸与胆固醇代谢紊乱[5]。机体肠道中的双歧杆菌属、梭状芽胞杆菌属、乳杆菌属、李斯特菌、肠球菌属、拟杆菌属等细菌产生的BSHs可以降低血清中胆固醇的生成。BSHs在机体内主要参与结合型胆汁酸的解偶联形成游离型胆汁酸的过程，当机体肠道微生物菌群失衡，BSH活性升高，游离胆汁酸含量增加，进而激活FXR-FGF15/19胆汁酸负反馈调节体系，使得胆汁酸合成含量减少，胆固醇过于饱和，如果胆汁酸无法对其进行有效溶解，那么其将会以沉淀形式存在，慢慢变成结石状态。此外，肠道微生物中的细菌尤其是乳酸杆菌和双歧杆菌还具有消除胆固醇的能力，主要是通过将摄取到的胆固醇同化或者结合到细胞壁上或者与胆汁酸形成共沉淀，肠道微生物中的一些细菌还能产生胆固醇还原酶，催化胆固醇转化为不溶性前列腺素，并将其排入粪便中[22]。另有研究证实[23]肠道微生物菌群介导胆汁酸正常代谢，在对肝癌的研究中发现抗生素可使小鼠肝脏中的自然杀伤T细胞(Natural kilkr T cell,NKT)增加，肝窦内皮细胞表达趋化因子CXCL16可通过调节肝NKT细胞来抑制肝脏肿瘤的生长，而肝脏的初级胆汁酸能促进CXCL16的表达，次级胆汁酸会抑制CXCL16的表达；采用万古霉素(抗生素)处理小鼠，万古霉素会清除掉小鼠肠道中的革兰阳性菌(包括参与初级胆汁酸转化的细菌)，诱导肝NKT细胞的积累，从而抑制肝癌的发展。同时，给经万古霉素处理的小鼠喂食次级胆汁酸或者在其体内定殖并可以转化初级胆汁酸的梭菌属细菌，发现小鼠肝脏中NKT细胞积累降低并且抗肿瘤效果降低。

对粪便中胆汁酸排泄过多的腹泻型肠易激综合征患者(BA+IBS-D)的研究发现[24]，在其肠道中与粪便中胆汁酸转化有关的细菌组成发生了变化，BA+IBS-D体内盲肠中微生物菌群显示去结合能力显著降低，7α-羟基类固醇脱氢酶(7-HSDH)和7α-脱羟基酶活性增加，同时发现梭状芽胞杆菌的含量也高于健康人且梭状芽胞杆菌的增加与粪便胆汁酸水平、血清C4水平的升高成正相关，并与血清FGF19浓度成负相关；将含大量梭状芽胞杆菌的BA+IBS-D粪菌移植给被ABX诱导的伪无菌小鼠(GF)，在BA+IBS-D粪菌受体小鼠中发现了与BA+IBS-D供体同样的结果；将梭状芽胞杆菌定殖于野生型小鼠体内，分析发现梭状芽胞杆菌定殖小鼠与BA+IBS-D结果相同，并且小鼠肝脏和回肠中的结合型胆汁酸如T-βMCA含量升高，FGF15基因的表达显著降低，对梭状芽胞杆菌定殖小鼠采用万古霉素处理后得到相反的结果。T-βMCA作为FXR的强拮抗剂，在梭状芽胞杆菌定殖小鼠体内含量较高可能会抑制FXR的表达来降低FGF15的活性进而促进胆汁酸的合成，从而使梭状芽胞杆菌定殖小鼠患BA+IBS-D。最近的一篇报道指出[25]，在溃疡性结肠炎(UC)患者肠道中次级胆汁酸(脱氧胆酸和石胆酸)水平降低，并且肠道中瘤胃菌科及其他能将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸的细菌含量也降低，采用小鼠结肠炎模型研究发现，给患结肠炎的小鼠体内补充次级胆汁酸可通过G蛋白偶联胆汁酸受体(G-protein-Coupled receptor for bile acids,TGR5)来改善小鼠肠道炎症。最近的研究表明，肠道菌群的变化和胆汁酸信号在肠系膜衰竭伴肝损伤(IFALD)中发挥了作用。在肠内营养正常的肠肝循环中，胆汁酸激活肠法尼醇受体(FXR)，触发FGF19释放进入门静脉循环。FGF19通过肠内营养调节肝内胆汁酸的合成。该信号通路在全静脉营养(TPN)患者中受损，研究表明接受TPN的受试者血清中FGF19水平下降。由于肠道机能减退，TPN 患者中的肠道微生物群严重改变。肠道菌群的变化会影响患者的免疫反应，并促进内毒素分泌，从而对肝功能造成负面影响，说明肠道菌群影响在治疗TPN中的相关胆汁酸信号通路[26]。

总之，肠道微生物参与调节胆汁酸的正常代谢是一个由FXR、TGR5、FGF15/19介导的过程。

2.4 胆汁酸影响肠道微生物的组成

肠道微生物与胆汁酸代谢间的调节是双向的，肠道微生物可以参与调节胆汁酸的合成与正常代谢，而胆汁酸可以反过来调节肠道微生物菌群的组成。胆汁酸影响肠道微生物包括损伤细菌细胞膜、破坏细菌氨基酸、核苷酸以及细菌的碳水化合物代谢过程、活化机体小肠内的先天免疫基因来改变肠道菌群组成进而影响机体代谢。胆汁酸池的大小及其多样性会对机体的肠道微生物菌群产生影响，对结直肠癌患者的研究发现，病人粪便中出现较高浓度的7α-脱羟基梭菌，该细菌可促进次级胆汁酸的生成，大量的7α-脱羟基梭菌使机体肠道的次级胆汁酸含量升高进而导致肠道微生物菌群失衡来促进结直肠癌(CRC)的发生发展[7]。高脂饮食会使小鼠肠道菌群失衡，在高脂饮食小鼠的饲料中加入牛磺熊去氧胆酸，发现其体内肠道菌群恢复到与普通小鼠相似水平(如粪杆菌属和阿克曼氏菌属含量升高，小螺菌属和瘤胃球菌含量降低)[27]。胆汁酸影响肠道微生物菌群的组成还可通过FXR的介导来调节，将高脂饮食喂食给小鼠，与对照组小鼠相比，FXR缺陷小鼠体内T-βMCA含量升高且肠道中厚壁菌门的丰富度增加，拟杆菌门的丰富度降低，可能是FXR介导的高脂饮食使小鼠胆汁酸池发生改变进而导致肠道微生物菌群发生变化[1]。对严重酒精性肝炎肝硬化患者(Cir_sAH)和非严重酒精性肝炎的肝硬化患者(Cir_noAH)的胆汁酸谱结果分析发现[28]，与非Cir_noAH患者相比，Cir_sAH患者的总胆汁酸、总初级胆汁酸含量升高，而总次级胆汁酸、次级非结合型胆汁酸的含量降低；同时发现Cir_sAH患者体内拟杆菌的含量较低，而放线菌的含量较高，Cir_sAH患者肠道微生物菌群发生变化可能是由于其胆汁酸池发生改变使肠道中有毒物质与疏水物质增加造成的。

胆汁酸还可通过抑制肠道中细菌生长来改变肠道微生物菌群的组成，并且非结合型胆汁酸的抗菌活性强于结合型胆汁酸，革兰阳性菌对胆汁酸的敏感性强于革兰阴性菌[29]。对患有肝硬化的大鼠进行研究，发现大鼠体内胆汁酸合成量较健康组大鼠降低，且回肠处细菌总含量以及发生的细菌移位率升高；给肝硬化组大鼠注射胆汁酸后发现其回肠处细菌量恢复至健康水平且细菌移位率降低[30]。奥贝胆酸(OCA)是一种胆汁酸衍生物，可激活FXR来抑制内源性胆汁酸的合成；给健康的受试者服用一定剂量的OCA，在受试者粪菌中发现乳酸乳球菌、干酪乳杆菌以及嗜热链球菌等小肠中的革兰阳性菌含量增加，而正常水平的胆汁酸可以抑制这些细菌的生长；给健康小鼠喂食OCA，发现小鼠小肠中的胆汁酸含量降低，同时以革兰阳性菌为主的厚壁菌门细菌含量增加，由此说明OCA可通过激活FXR来抑制胆汁酸合成进而改变肠道微生物菌群[31]。

3 展 望

近年来，肠道微生物与胆汁酸代谢间的话题已经成为科学与医学领域的研究热点，科学界逐渐认识到肠道微生物与胆汁酸代谢间的相互影响对人类身体健康发挥着重要作用，本文综述了胆汁酸与肠道菌群及宿主之间的相互作用，肠道微生物可通过FXR调节胆汁酸的合成。胆汁酸受体FXR已成为人类代谢疾病的转化和介入研究的主要靶点。因此，了解肠道微生物菌群及其对胆汁酸代谢和信号传导的影响可能有助于解释临床前数据。随着肠道微生物与胆汁酸代谢研究不断深入，今后有望通过调节机体、肠道菌群和胆汁酸三者之间的稳态来实现治疗多种疾病的目的。