肠道菌群-FXR轴在代谢性疾病中的作用*

邹 步， 唐 莹， 杨文玲， 屈顺林, 2△

(1南华大学衡阳医学院临床医学系， 2南华大学病理生理学教研室， 心血管病研究所， 动脉硬化学湖南省重点实验室， 湖南 衡阳 421001)

肠道菌群是指在肠道定植的包括细菌、真菌、病毒、古细菌和原生动物在内的微生物群，其种类超过1 000种，数量接近人体自身细胞的10倍，编码基因数量超过人体自身基因100倍。肠道菌群按系统发育地位可分为厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、疣微菌门和梭杆菌门。正常人类肠道菌群主要由厚壁菌门和拟杆菌门组成[1]。近年来科学界对肠道微生物群产生了浓厚的兴趣，肠道菌群与大量疾病如炎症性肠病、肠易激惹综合征、过敏性疾病和代谢性疾病有关。

胆汁酸是法尼醇X受体(farnesoid X receptor，FXR)的内源性配体，分为初级胆汁酸和次级胆汁酸2种。胆汁酸在肝脏合成后称初级胆汁酸，与牛磺酸或甘氨酸结合后进入肠道，在肠道菌群的作用下转化为次级胆汁酸，其不仅在脂质消化吸收中起重要作用，还可以调控FXR信号传导通路参与机体代谢的调节。近年来研究发现，某些药物通过调控肠道菌群影响胆汁酸组成，进而影响FXR活性及其下游通路达到治疗代谢性疾病的作用。

1 肠道菌群与代谢性疾病

越来越多的证据表明，肠道菌群参与非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)[2]、胰岛素抵抗[3-4]以及2型糖尿病[5]等代谢性疾病的发展。研究发现肠道菌群可以通过下调禁食诱导脂肪细胞因子(fasting-induced adipocyte factor，FIAF)的表达和抑制脂肪细胞中的脂蛋白脂肪酶而促进脂肪细胞内甘油三酯的沉积[3]。Dumas等[6]报道肠道菌群通过调节胆碱转化为三甲胺来间接影响宿主的脂质代谢以及NAFLD、胰岛素抵抗等的进程。另一项研究表明，肠道菌群可以通过增加小肠绒毛毛细血管的密度以及影响肠道运动以促进小肠上皮细胞的发育从而增加食物中热量的摄取[7]。有研究者发现肠道菌群还能通过发酵未消化的碳水化合物产生短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)以激活G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors，GPCR)如GPR41，从而促进能量消耗并预防肥胖。此外Li等[8]报道肠道菌群可以代谢肝脏产生的胆汁酸，显著影响胆汁酸的信号转导，而胆汁酸亦可以影响肠道菌群组成、调控成纤维细胞生长因子15/19(fibroblast growth factor 15/19，FGF15/19)以及胰岛素等的分泌，从而调控机体的糖脂代谢。以上不同的研究结果提示了肠道菌群影响代谢性疾病机制的多样性。最近研究发现，肠道菌群通过调节FXR影响胆汁酸循环和糖脂代谢是导致肥胖等代谢性疾病的机制之一，肠道菌群-FXR轴成为研究的热点[9-10]。

2 FXR与代谢性疾病

胆汁酸的合成主要有2条途径——经典途径与替代途径。大部分胆汁酸由经典途径合成，甾醇7α-羟化酶(cholesteral 7α-hydroxylase，CYP7A1)被认为是该途径的限速酶，主要产物是胆酸(cholicacid，CA)。替代途径主要合成鹅去氧胆酸(chenodeoxycholic acid，CDCA)，关键酶为甾醇 27α-羟化酶(cytochrome P450 27A1，CYP27A1)与氧甾醇7α-羟化酶(cytochrome P450 7B1，CYP7B1)[11]。初级胆汁酸在肝脏合成后，大部分与牛磺酸和甘氨酸结合形成结合胆汁酸，增加了胆汁酸的水溶性，随后经毛细胆管排出，储存在胆囊中。进食后，胆囊中的胆汁酸排出进入肠道，在肠道菌群的修饰下形成次级胆汁酸与游离胆汁酸，促进脂肪以及脂溶性维生素等营养物质的吸收。大部分胆汁酸在回肠末端重吸收入血，经门静脉重新进入肝脏，形成胆汁酸的肝肠循环[12]。

FXR是胆汁酸平衡和肝肠循环的主要调节受体，主要分布在肝脏和小肠等组织，胆汁酸是其天然配体。当肝脏中胆汁酸升高，胆汁酸可通过激活胆汁酸/FXR/小异源二聚体伴侣(small heterodimer partner，SHP)信号通路进而抑制CYP7A1基因的转录，减少胆汁酸的合成。当肠道处于高水平的胆汁酸环境中时，肠道FXR被激活。研究表明，肠道FXR可通过上调FGF15/19反馈抑制肝脏CYP7A1和CYP7B1基因表达，降低胆汁酸在肝脏中的合成,减弱过多胆汁酸聚集对肠上皮细胞的毒性作用。此外，胆汁酸的种类不同，对肠道FXR的作用也不同，按激活程度从强到弱排序CDCA>牛磺胆酸(taurocholic acid，TCA)>脱氧胆酸(deoxycholic acid，DCA)=石胆酸(lithocholic acid，LCA)，而牛磺酸结合型β鼠胆酸(tauro-β-muricholic acid，T-β-MCA)和熊去氧胆酸(ursodesoxycholic acid，UDCA)则对肠道 FXR 有抑制作用[13]。

近年来，FXR与代谢性疾病的关系得到广泛的关注。Prawitt等[14]发现FXR全身敲除肥胖小鼠相比于普通肥胖小鼠，其葡萄糖清除率以及脂肪细胞胰岛素敏感性增强，糖代谢紊乱减轻。然而其肝脏胰岛素敏感性并没有变化，且由于β氧化基因的抑制，肝脏脂肪变性加剧。同时肝脏特异性FXR缺乏不能预防饮食诱导的肥胖以及胰岛素抵抗，提示非肝脏组织FXR的缺乏在减轻肥胖诱导的糖代谢紊乱以及胰岛素抵抗等过程中可能起主要作用。Schmitt等[15]发现肝脏FXR特异性敲除小鼠在1%胆固醇给药下出现脂质积累，而这在肠道FXR特异性敲除小鼠中未发现，且肠道FXR特异性敲除小鼠拥有维持正常血清胆固醇和胆汁酸的能力,该研究提示肝脏FXR的激活在胆固醇引起的脂肪积聚中起保护作用，而肠道FXR的激活则没有此种作用。Jiang等[16]发现在高脂诱导的NAFLD模型中，肠道特异性FXR敲除小鼠具有较少的肝脏甘油三酯积聚以及脂肪变性，使用低分子量抗氧化剂tempol或抗生素干预肠道菌群可抑制肠道FXR的表达，亦得到同样的结果，提示肠道FXR的抑制可以减轻肝脏脂肪积聚以及脂肪变性。Xie等[17]利用咖啡酸苯乙酯(caffeic acid phenethyl ester，CAPE)间接抑制肠道FXR，发现CAPE可以减少肝脏糖异生，减轻高脂饮食(high-fat diet，HFD)喂养小鼠的高糖血症，这种效应并没有在FXR敲除小鼠中显示。这些研究提示在不同组织比如肝脏和肠道中，FXR的效应可能有所不同，甚至拥有相反的效应。肝脏FXR的缺失会导致脂质的积聚，肠道FXR的缺失则减轻脂质的积聚、变性以及肝糖异生。

3 肠道FXR调控代谢性疾病的机制

神经酰胺属于鞘脂家族，由鞘氨醇长链碱基与脂肪酸构成，是鞘磷脂的重要成分。在人群中，血清和组织神经酰胺水平与代谢紊乱程度成正比[18-21]。最近的研究表明，含16个碳饱和脂肪酰基(C16:0)的神经酰胺是调控肥胖症中胰岛素抵抗、脂肪酸β氧化以及能量代谢的关键神经酰胺[19, 22]。缺乏神经酰胺合成酶S6(ceramide synthase S6，CerS6)表达的小鼠表现出较低的C16：0神经酰胺水平并防止HFD诱导的肥胖及糖耐量降低[23]。

研究发现，抑制肠道FXR调节代谢性疾病的机制涉及神经酰胺的调节。HFD喂养的肠特异性FXR敲除小鼠的循环神经酰胺显著降低，肝脏甘油三酯积累减少，这在tempol、抗生素或甘氨酸-β-鼠胆酸(glycine-β-muricholic acid, Gly-MCA)治疗的HFD喂养的小鼠中同样被观察到。给予C16：0神经酰胺干预后tempol、抗生素或Gly-MCA治疗的HFD喂养的小鼠代谢改善被逆转。进一步的研究表明，肠道FXR靶向控制神经酰胺合成的基因。回肠中神经酰胺产生的基因——鞘磷脂磷酸二酯酶3(sphingomyelin phosphodiesterase 3，Smpd3)和丝氨酸棕榈酰转移酶长链碱基亚基2(serine palmitoyltransferase, long chain base subunit 2，Sptlc2)具有上游FXR结合位点且被鉴定为FXR的直接靶基因。然而肠道FXR调节神经酰胺的具体机制仍不清楚。血清中神经酰胺水平的降低，一方面抑制甾醇反应元件结合蛋白1c(sterol regulatory element-binding protein 1c，SREBP1c)/诱导细胞死亡的DNA片段化因子α样效应子A(cell death-inducing DNA fragmentation factor alpha-like effector A，CIDEA)信号通路从而抑制肝脏脂肪积聚及变性，另一方面可降低白色脂肪细胞炎症水平以减轻胰岛素抵抗；此外还可能促进米色脂肪产热相关基因的表达，增加产热，减轻脂代谢紊乱[16, 23]。最近的研究亦提示膳食补充剂CAPE通过抑制小鼠肠道菌群胆盐水解酶(bile salt hydrolase，BSH)的产生，提高肠道T-β-MCA的水平，从而抑制肠道FXR来减少肠神经酰胺的生成，降低血清神经酰胺水平。神经酰胺水平的下降则通过减轻内质网应激，增加柠檬酸合酶(citrate synthase, CS)活性并降低丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase，PC)活性来抑制糖异生，使血糖正常化[17]。这些研究表明肠道FXR可能通过调节神经酰胺来减轻代谢紊乱。

4 肠道菌群抑制肠道FXR改善代谢性疾病

早期研究发现低分子量抗氧化剂tempol可保护细胞免受氧化应激，减轻小鼠肥胖[24]。近年来其机制得到阐明。Li等[9]发现，tempol给药后5 d内，小肠远端菌群由硬壁菌门转变为拟杆菌门，且硬壁菌门中乳酸杆菌水平显著降低。同时胆汁酸代谢物的检查发现，与对照组相比tempol处理组显示出更高的T-β-MCA[11]。T-β-MCA是内源性FXR拮抗剂，由UDCA在小鼠或大鼠肝脏中羟基化为β-MCA再与牛磺酸结合，在肝脏中生成T-β-MCA后与其他胆汁酸共同介导回肠上皮细胞FXR传导，而肠道菌群可以通过代谢这些胆汁酸调节激动剂与拮抗剂的水平[25]。T-β-MCA在BSH的作用下迅速水解为β-MCA，而BSH主要在乳酸杆菌、拟杆菌、梭状杆菌和双歧杆菌等菌株中表达[26]，提示tempol处理后T-β-MCA的显著增加是由于乳酸杆菌水平降低导致的BSH活性降低。同时高脂饮食诱导的肠道FXR特异性敲除小鼠表现出较低的肥胖，其程度与temple处理组相似，且temple不能减轻HFD诱导肠道特异性敲除小鼠的体重增加。研究者由此提出一种机制：tempol通过降低乳酸杆菌水平使BSH活性降低以提高T-β-MCA水平，从而抑制肠道FXR的表达，进而减轻小鼠的肥胖[11]。另一项研究发现,ob/ob小鼠肠道微生物组成显著改变，牛磺酸结合的胆汁酸明显减少，肠道FXR的表达水平明显增加，且与同窝ob/+小鼠相比，FXR表达水平更高[27]，与tempol处理组的结果一致。

此外，关于抗生素的研究也证明了肠道菌群可通过调控FXR影响代谢性疾病。有研究报道，杆菌肽、新霉素和链霉素联合使用可阻止小鼠NAFLD的进展，其肠道中乳酸杆菌属减少，T-β-MCA减少，肠道FXR表达水平下降[20]，与tempol处理组的结果相一致。内源性胆汁酸T-β-MCA通过抑制肠道FXR的表达而减轻HFD诱导的肥胖、胰岛素抵抗及非酒精性脂肪肝，表明肠道FXR是潜在的药物靶点。然而T-β-MCA并不是一种可行的候选药物，这是因为T-β-MCA会被BSH迅速转化为β-MCA。人类肠道菌群亦具有BSH活性，这表明T-β-MCA在人肠中不稳定[28]。与T-β-MCA不同，选择性高亲和力FXR抑制剂Gly-MCA不被BSH降解，在肠道中稳定且不在肝脏中累积，避免了抑制肝脏FXR表达带来的肝脏脂肪变性及毒性[14， 29]，因此Gly-MCA这类药物可能是治疗代谢性疾病新的途径。需要注意的是，人和小鼠的胆汁酸谱是不同的，其重要区别在于小鼠初级胆汁酸在肠道菌群7α去羟基化作用下主要生成次级胆汁酸MCA，而人类肠道菌群则主要生成LCA和DCA。牛磺酸结合在小鼠中占优势，而甘氨酸结合在人类中占主导地位。此外，UDCA是人类中的一种次级胆汁酸，由CDCA通过细菌7α/β脱氢产生，而在小鼠中则被认为是一种初级胆汁酸[30]。最近一项研究发现，初诊2型糖尿病人口服二甲双胍后肠道菌群发生重塑，脆弱拟杆菌的丰度下降，而甘氨酸结合熊去氧胆酸(glycoursodeoxycholic acid，GUDCA)含量升高，肠道FXR被显著抑制。研究表明二甲双胍通过减少肠内脆弱拟杆菌种类及其BSH活性而提高GUDCA的水平。进一步的研究确定GUDCA为人FXR的内源性拮抗剂，可减轻多种代谢紊乱，提示二甲双胍诱导的代谢改善是通过肠道脆弱杆菌-GUDCA-肠道FXR轴介导的，GUDCA或肠道FXR可能成为治疗肥胖相关代谢性疾病的新靶点[31]。

5 肠道FXR的激活改善代谢性疾病

与上述研究相反，最近有研究显示肠道FXR的激活亦可改善代谢性疾病。Fang等[32]发现，在饮食诱导的肥胖小鼠模型中，口服肠道特异性FXR激动剂fexaramine(Fex)的小鼠相比于普通肥胖小鼠，体重增加程度减轻，糖耐量增加，胰岛素抵抗减少，白色组织棕色化以及产热增加。进一步研究发现Fex显著升高血清中次级胆汁酸石胆酸的比例，而石胆酸是G蛋白偶联胆汁酸受体1 (G protein-coupled bile acid receptor 1，Gpbar1/TGR5)的最有效内源性配体。在Fex处理的Gpbar1敲除小鼠中未观察到体重增加及胰岛素敏感性的显著变化，且关键的肝脏脂肪生成基因及甘油三酯含量不受Fex处理的影响，提示Fex产生的效应可能是通过间接激活其他胆汁酸受体而产生的。两项关于黄连素(berberine，BBR)降脂机制的研究发现，BBR减少梭状杆菌并抑制BSH的活性，增加牛磺酸结合胆汁酸的水平。有趣的是T-β-MCA的水平没有明显改变，FXR激动剂TCA的水平显著增高，BBR在HFD喂养的肠道FXR特异性敲除小鼠中未发现降脂作用，且使用TCA(100 mg/kg)治疗小鼠1周后发现TCA亦能激活肠道FXR并发挥降脂作用，提示BBR可能通过抑制BSH的活性增加TCA的水平从而激活FXR发挥其降脂作用。其具体机制可能是通过激活肠道FXR，上调FGF19及降低CD36的表达，使长链脂肪酸的肝摄取减少，从而发挥其降脂作用[33-34]。

6 展望

FXR激动剂OCA治疗 NAFLD的Ⅱ期临床实验显示出良好的应用前景[35]，然而肝脏与肠道中FXR对代谢性疾病相反的作用为药物的研发提供了新的思路，特异性肠道FXR的抑制可能成为治疗代谢性疾病理想的药物靶点。虽然人类与小鼠胆汁酸代谢谱不同，但是二甲双胍的研究提示了有关肠道FXR研究成果在小鼠与人类间转化的可行性[31]。最近的研究提示肠道FXR的激活似乎对代谢有改善作用[32-34]。与tempol及抗生素等不同，BBR处理小鼠BSH活性的降低不是因为乳杆菌的减少而是梭状杆菌的减少，且Fex不仅激活FXR还激活TGR5，TCA在正常肠道菌群易被解离为CA。这些结果提示我们在研究肠道FXR激活或抑制的效应时需要考虑肠道菌群组成不同所造成的影响，并研制出更特异性的肠道FXR激动剂，以探究调控肠道FXR影响代谢性疾病的具体机制。需要注意的是，小鼠中FXR的慢性激活可引发自发性肝毒性、生长延迟，甚至部分新生小鼠死亡[36]。缺乏FXR表达的小鼠则增加了自发性肝癌的风险。12个月的雄性和雌性FXR敲除小鼠的肝脏肿瘤发病率都很高[37]。FXR在FXR敲除小鼠肠道中的重新表达抑制了自发性肝癌，可能是由于FGF15产生增加和通过抑制CYP7A1降低肝胆汁酸所致[38]。与这些小鼠的研究一致，肿瘤组织与其相邻的正常肝组织相比，FXR在人肝细胞癌中的表达显著降低，并且FXR表达程度与肿瘤大小成反比，与分化程度成正比[39]。另一项研究发现使用肠致癌物氧化偶氮甲烷干预后，FXR敲除小鼠的结肠以及直肠中的腺癌大小和多样性显著增加，其机制主要是由于FXR的缺乏促进了肠道中的细胞增殖、炎症和肿瘤发生[40]。我们在考虑将肠道菌群-FXR轴作为代谢性疾病治疗的药物靶点时，仍需要考虑其应用的安全性问题。