动物胆汁酸代谢与肠道微生态的互作关系

孔祎頔，李 民，王桂芹

（吉林农业大学动物科学技术学院，动物生产及产品质量安全教育部重点实验室，吉林长春 130118）

胆汁酸（Bile Acid，BA）是由动物肝脏中的胆固醇合成的两性化合物，在肠肝循环中可促进肠道对脂质和维生素的消化吸收，提高机体免疫功能，维持机体健康[1-2]，最重要的是BA与其相关受体结合后调节BA代谢，同时可作为关键信号分子调节葡萄糖、脂类和能量代谢[3-4]。BA通过激活法呢醇X受体（Farnesoid X receptor，FXR）、成纤维细胞生长因子受体4（Fibroblast Growth Factor Receptors 4，FGFR4）和G蛋白偶联受体（Cell Membrane Surface Receptor-G Protein Coupled Receptor，TGR5）等多种胆汁酸受体来维持肝肠循环稳态[5]。

近年来，肠道微生态已成为各领域的研究热点之一。肠道菌群变化对宿主的健康状态至关重要，它不仅参与调节宿主的营养和代谢，促进机体免疫功能，而且在保护机体免受外来物质侵袭等方面发挥巨大的作用[6-7]。BA与肠道菌群之间存在密不可分的双向调控关系。当BA通过扩膜运输进入肠道时，正常菌群会将其进行生物转化；同时，BA也会通过调控动物机体的炎症反应，影响肠道菌群组成，进而提高机体免疫功能[8]。反之，肠道菌群数量及组成的变化会影响BA的合成、代谢。此外，肠道菌群还可通过FXR、FGFR4和TGR5等胆汁酸受体来调节BA代谢[9]。本文综述了BA代谢与肠道菌群之间的互作关系，为进一步研究动物肝肠循环BA代谢奠定理论基础，为防控动物肝肠胆相关疾病提供理论依据。

1 BA代谢

1.1 BA的肝肠循环 BA的肝肠循环对营养物质的吸收以及随胆汁消化排泄的脂质、毒性代谢产物和外源性物质都有重要的生理作用。同时，BA的肝肠循环使肝脏内BA的合成和肠道内BA的重吸收发挥协同作用，共同维持机体BA的代谢稳态[10]。

1.1.1 BA的合成 BA通过经典途径和替代途径由胆固醇合成。胆固醇7α-羟化酶（Cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1）、甾醇12α-羟化酶（Sterol 12α-hydroxylase，CYP8B1）和甾醇-27羟化酶（Sterol 27-hydroxylase，CYP27A1）等至少17种酶在BA合成过程中共同起重要调节作用[11-12]。在肝细胞中，经典途径是BA合成的主要途径，CYP7A1是BA合成的经典途径中的第一个限速酶，胆固醇在CYP7A1的作用下生成7α-羟固醇，再通过CYP8B1的作用形成胆酸（Cholic Acid，CA），合成了胆汁酸池中的大部分BA；另一方面，在组织或巨噬细胞中，替代途径由胆固醇通过CYP27A1和氧固醇7α-羟化酶（Oxysterol 7α-hydroxylase，CYP7B1）限速催化形成鹅脱氧胆酸（Chenodeoxycholic Acid，CDCA），合成了胆汁酸池中的小部分BA[2,13-15]。而后，所形成的初级胆汁酸被胆汁酸辅酶A合成酶（Bile Acid-CoA Synthase，BACS）和氨基酸N-乙酰转移酶（Bile acid-CoA amino acid N-acetyltransferase，BAT）激活并与牛磺酸（Taurine）或甘氨酸（Glycine）结合生成牛磺胆酸（Taurocholic Acid，TCA）或甘氨胆酸（Glycocholic Acid，GCA），增强BA的水溶性，减少对细胞膜的破坏，同时降低了BA的毒性[2,16-17]。

1.1.2 BA的分泌 肝脏内的BA合成后，通过胆盐输出泵（Bile Salt Export Pump，BSEP）、多药耐药相关蛋白（Multidrug Resistance-Associated Proteins，MRP2）等将牛磺酸或甘氨酸分泌到胆汁中[12]。BSEP是BA的主要运输通道，BSEP发生突变会导致肝脏内胆汁淤积。MRP2主要在肝细胞基底膜上表达，在肠道也有表达，能有效保护肝细胞，促进胆汁分泌[18-19]。合成后的BA贮存在胆囊中，机体摄食后刺激胆囊收缩，将BA释放进入肠道，以促进机体对脂类和维生素等营养物质的消化和吸收，维持机体的正常生理活动。BA进入肠道后，通过肠道菌群的化学修饰产生游离胆汁酸和次级胆汁酸，如脱氧胆酸（Deoxycholic Acid，DCA）、石胆酸（Lithocholic Acid，LCA）、ω-鼠胆酸（ω-muricholic Acid，ω-MCA）、熊脱氧胆酸（Ursodeoxycholic Acid，UDCA）和猪脱氧胆酸（Hyodeoxycholic Acid，HDCA）等[11]。

1.1.3 BA的转运、重吸收与外排 进入肠道后，顶端钠依赖性胆汁酸转运蛋白（Apical Sodium-Dependent Bile Acid Transporter Protein，ASBP）将95% 左右的BA吸收到肠上皮细胞，并在胆汁酸转运蛋白（Ileal Bile Acid Transporter Protein，IBAT）的促进作用下，通过肝细胞基底外侧膜上的有机溶质转运蛋白（Organic solute Transporterα/β，OSTα/OSTβ）将大部分BA经门静脉血液循环系统被主动重吸收回肝脏[5]。在胆管细胞和肾小管细胞的作用下，仅有约5%的BA未被重吸收而随粪便、尿液等废物排出体外，最大限度地减少了BA的外排[11]。其中，约5% 的未被重吸收的BA，仍有一部分会在肠道菌群的作用下，被肠道重新吸收进入肝脏再次得到有效利用[20]。在返回肝脏时，被重吸收的BA通过牛磺胆酸钠共转运多肽（Sodium Taurocholate Cotransporting Polypeptide，NTCP）和有机阴离子转运蛋白（Organic Anion Transporter Protein，OATP）等作用，在下一个消化代谢反应过程中重新分泌，从而完成BA的肝肠循环[21-22]。BA的肝肠循环途径见图1。

1.2 BA相关受体及信号通路 BA是代谢途径网络的关键调节因子，在肝脏和肠道基因表达中起关键作用，并且直接参与复杂的代谢网络[2]，通过激活在不同细胞类型中表达的特异性受体来引发BA的生理作用，进而调节生物的代谢，从而触发细胞信号传导途径[24]。BA是FXR、FGFR4和TGR5等受体的有效配体，通过这些受体的作用可以产生非基因组效应。

1.2.1 BA介导的FXR信号通路 FXR是参与调节BA的肠肝循环和BA生物合成最重要的受体，其在肝脏、肠道、肾脏等组织中高水平表达[25-26]。BA是FXR受体最有效的内源性配体[27]，而FXR受体也是肝脏合成BA的抑制剂，在肝肠循环BA代谢过程中起重要的调节作用，能有效控制肝脏和肠道中BA含量[25]。在肝脏中，活化后的FXR通过诱导小异二聚体配偶体（Small Heterodimer Partner，SHP）调节核孤儿受体肝脏相关同系物1（Liver Related Homologue-1，LRH-1）基因的表达，激活FXR-SHP信号通路，间接影响BA的分泌，进而影响BA的合成、转运等[28]。Murashita等[29]研究发现，虹鳟（Oncorhynchus mykiss）肝脏中的SHP可通过抑制CYP7A1和CYP8B1基因的表达来抑制BA合成；Modica等[30]研究也表明，FXR可诱导SHP，抑制LRH-1的转录和CYP7A1的表达，进而影响BA合成的负反馈调节。在肠道中，BA刺激FXR受体，激活FXR-FGF15/19信号通路，介导肠上皮细胞内成纤维细胞生长因子（Fibroblast Growth Factor，FGF15/19）的表达进而影响细胞表面FGFR4受体（Fibroblast Growth Factor Receptors 4，FGFR4）的分泌，从而抑制CYP7A1、CYP8B1等的表达，最终维持机体内BA的代谢稳态[31]。Kong等[32]研究表明，FXR可影响肠道内FGF15的表达水平进而抑制CYP7A1的转录，从而影响BA的合成量，证明FXR-FGF15/19信号通路可在修复肝肠胆相关疾病的过程中发挥重要作用。综上，FXR在肝脏与肠道中的2条信号通路协同，也表明肝和肠中的FXR基因之间存在密不可分的协作关系。Song等[4]研究报道，BA可激活FXR并增加SHP和FGF15的mRNA表达量，并且认为CA和DCA比CDCA和LCA作为FXR的激动剂效果更好。同样，多篇文献也报道了CDCA是FXR最有效的体外激动剂[27,33]。

1.2.2 BA介导的FGFR4信号通路 FGFR4是一类跨膜高亲和力酪氨酸激酶受体，通过与FGF15/19结合来介导FGF信号传递到细胞质中[34]。有研究称，FGF15/19-FGFR4信号通路的激活，有助于增加多种细胞的增殖并减少细胞凋亡[35]。FGF15/19是FGF分泌信号分子家族的成员，是一大类生长因子，涉及多种生物反应，尤其在BA生理过程中起着至关重要的作用[36]。目前，已知鼠FGF15和人类（以及斑马鱼）FGF19在氨基酸水平上的同源性相对较高，因此FGF15与FGF19为具有相似功能的同源基因[34]。有研究表明，FXR经BA刺激后介导FGF15/19的表达，激活其受体FGFR4的分泌后，会触发肝细胞中ERK1/2和JNK信号通路，从而抑制CYP7A1和CYP7B1的表达，最终影响BA的生物合成[32,37]。此外，也有研究认为，FGFR4的激活会触发磷脂酰肌醇-3激酶（Phosphatidylinositol 3-Kinase，PI3K）信号通路，抑制叉头框蛋白O1（FoxO1）的表达，进而抑制CYP7A1的转录[38]。

1.2.3 BA介导的TGR5信号通路 TGR5也称为G蛋白偶联的BA受体1（GPBAR1），是BA的G蛋白偶联的膜受体，最初鉴定于2002年，在肝脏、脾脏、肾脏、肠道和胆囊等组织及巨噬细胞中广泛表达[2]。BA是TGR5受体最有效的配体，可以直接激活或调节几种G蛋白偶联受体（GPCR）的信号传导，其具有多种生理调节功能，主要在促进脂肪分解、葡萄糖稳态和能量消耗等方面发挥关键作用[39]。有研究表明，TGR5的激活会触发p38丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinases，p38MAPK）信号通路，活化ERK1/2和JNK，增加NF-κB、IL-6和TNF-α的表达量，发挥免疫功能[1,40]。

2 肠道微生态

肠道微生态系统在动物机体中占主要位置，同时也十分复杂，在维持动物体内正常营养代谢、增强机体免疫功能及免受外来物质侵袭等方面发挥至关重要的作用，一旦发生失调，会直接影响肠道免疫系统的发育并影响宿主代谢，直接或间接地引发多种疾病。肠道菌群在整个肠道微生态系统中占核心位置，通过为宿主提供必需化合物，在参与BA的生物合成、能量及糖脂代谢、促进营养物质的消化和吸收、调节宿主免疫功能以及保护宿主免受外界毒害物质的侵袭等多方面发挥关键作用[41]。肠道菌群的主要功能包括对机体营养作用、免疫作用及生物屏障作用等[42]。有报道称，肠道菌群的代谢产物（如氧化三甲胺、短链脂肪酸等）均可影响肠道屏障功能、糖脂代谢[43-44]。动物肠道菌群主要由乳杆菌属（Lactobacillus）、链球菌属（Streptococcus）和葡萄球菌属（Staphylococcus）等组成，其次为肠杆菌属（Enterobacteria）、肠球菌属（Enterococcus）、拟杆菌属（Bacteroides）和梭菌属（Clostridium）等[45]。肠道菌群的组成可通过多种方法检测，目前常用的主要是16S RNA和宏基因组测序，此外还有分离培养、代谢组学及质谱技术等[46]。近年来，肠道菌群的主要调节剂包括益生菌、抗菌肽、中草药及植物提取物等。无可否认，在畜牧产业中，抗生素对肠道菌群也有一定的调节作用，在促进动物生长及防治疾病等方面发挥积极作用[47]，但抗生素的耐药性和药物残留等问题无法得到解决，正逐步退出畜牧业。在调节动物肠道菌群中，常用的益生菌主要仍集中于乳酸菌[48-49]和芽孢杆菌[50]及中草药（人参[51]、黄岑[52]等）、植物提取物（如人参多糖[53]、猴头菇多糖[54]等）。此外，抗菌肽是核糖体合成的天然抗生素，细菌、植物及动物等生物均能产生抗菌肽，其主要功能是调节肠道菌群的数量和组成，且与肠道菌群具有双向调控作用[55]。

3 BA代谢与肠道微生态的互作关系

BA代谢与肠道菌群之间存在密切相关的互作关系（图2），BA会通过自身的生理作用及其所介导的信号通路来影响肠道菌群的数量和组成，而肠道菌群数量及组成的变化也会影响BA的代谢，还可激活BA相关信号通路调控BA代谢，二者之间的互作关系会造成相同影响，即引发动物肝肠胆相关疾病[9,56]。

3.1 BA对肠道菌群的调节作用 BA在肠道中主要通过Bacteroides、真杆菌属（Eubacterium）、Clostridium和Lactobacillus的厌氧作用进行生物转化，与牛磺酸和甘氨酸结合后通过胆盐水解酶（Bile Salt Hydrolase，BSH）催化共轭BA的解偶联，恢复成未结合的游离胆汁酸[57]。BSH是肠道菌群产生的一种酶，可影响BA发挥不同的生理功能，不同的BSH可能对不同的BA组成有反应，BSH可能具有解毒作用，BA去缀合也由具有BSH活性的肠道微生物进行，进而改善哺乳动物肠道菌群的定植[58]。Phylum Firmicutes是将初级胆汁酸去共轭和脱羟基成为次级胆汁酸的主要细菌，粪便中外排的BA减少会引起肠道中的Phylum Firmicutes发生改变[59]。Kusumotoa等[60]研究表明，添加BA结合树脂（Bile Acid Binding Resin，BAR）改变了肠道菌群的组成，增加了Phylum Firmicutes并减少了Bacteroides的数量，进而降低了脂肪沉积。BAR是肠道中能够降低血清胆固醇的BA，可引起肠道菌群的变化，并增加丙酸的产生量，可有效改善对葡萄糖的耐受性不良并预防人和动物的肥胖、脂肪肝等疾病。此外，BA可降低肠道菌群代谢物短链脂肪酸（SCFA）的产量，且具有抑菌活性，能有效抑制肠道病原菌的生长增殖，并且通过FXR诱导的抗菌肽具有间接作用[61]。Peng等[62]给草鱼（Ctenopharyngodon idella）饲喂BA 50 d，发现Lactobacillus和双歧杆菌（Bifidobacterium）等有益菌数量增加，气单胞菌和大肠杆菌等有害菌数量减少。BA可作为信号分子调节肠道菌群的生理功能，FXR受体与肠道中的免疫调节和屏障功能有关。Stenman等[63]研究表明，BA生成量增加导致肠道中FXR表达的增加，引起肠道菌群的变化，进而调节肠道屏障功能。

3.2 肠道微生态对BA的调节作用 在肠道中，初级胆汁酸的复杂代谢主要受肠道菌群的调节，BA组成发生改变，使得肠道菌群在调节动物机体代谢方面具有重要作用[56]。BA池的大小和组成与肠道菌群密切相关，某些特定的肠道菌群组成可能导致BA池发生明显变化[8]。BA主要转化方式包括C3、C7和C12上羟基的去共轭、氧化和差向异构化、7-脱羟基化、酯化和脱硫等（表1）[58,64]。大量研究表明，动物肠道内的正常菌群会通过水解酶和羟基的氧化共同作用，来解离BA中的甘氨酸或牛磺酸[45]。肠道菌群的存在增加了胆汁酸池的疏水性，不同的肠道菌群组成产生了不同的BA谱。

3.3 肠道微生态对BA代谢的调节作用 肠道菌群是有效的FXR活化剂。Sayin等[65]研究证实，常规饲养小鼠中的MCA水平显著降低，而无菌的FXR缺失型小鼠BA水平升高，肠道菌群通过FXR调节肠道中FGF15和肝脏中CYP7A1的表达，进而抑制BA的合成和代谢。已知，益生菌是改善肠道菌群组成、调节肠道菌群平衡的最有效的调节剂，不同的益生菌水解特定的BA底物。有研究表明，益生菌代谢产物能够调节肠道中FXR、维生素D受体和过氧化物酶体增殖物激活受体（Peroxisome Proliferators-Activated Receptors，PPARs）的表达。Degirolamo等[66]研究发现，VSL#3复合益生菌（Lactobacillus、Bifidobacterium和Streptococcus thermophilus）能够有效调节小鼠的肠道菌群的组成，Phylum Firmicutes和放线菌属（Actinomyces）数量显著增加，Bacteroides和变形杆菌属（Proteus）数量下降，进而导致肠道中FXR和FGF15表达下调，促进CYP7A1和CYP8B1的表达，调节肝脏中BA的新合成。Liu等[67]研究发现，有机氯农药使小鼠肠道菌群的相对丰度和组成发生改变后，Lactobacillus数量及BSH活性均有所减少，而后导致BA组成发生变化，疏水性增强，相关基因的表达下降，最终影响了肝脏和肠道BA的分布和代谢。这些研究均表明，肠道菌群能够通过胆汁酸受体及其所介导的信号通路来影响BA的代谢，肠道菌群一旦失调随即会产生BA代谢障碍，引发肠炎、脂肪肝、胆囊肿大等疾病。

表1 肠道微生物群的细菌属参与BA代谢[58,64]

4 小结与展望

BA作为关键的信号分子与其相关受体结合后调节BA、葡萄糖、脂类和能量代谢，BA代谢与肠道菌群之间存在密切相关的互作关系，且二者与动物机体之间也呈现“三角动态平衡”状态。BA会通过自身的生理作用机制及其所激活的FXR-FGF15/19等通路对肠道菌群的数量及组成进行影响，反之肠道菌群也会通过所产生的BSH等酶的作用影响肠道中BA的合成、代谢，同时肠道菌群还可激活BA的FXR-FGF15/19、FXR-SHP等信号通路调控BA代谢。益生菌能有效改善肠道菌群组成，维持肠道微生态平衡，今后有望通过益生菌调节动物肠道菌群以影响BA代谢，进而维持肝肠循环稳态，最终实现对动物肝肠胆相关疾病的防治。与此同时，本课题组将继续深入研究BA代谢与肠道微生态之间的双向调控机制，进一步探寻肠道菌群-BA代谢之间的互作关系及其对动物机体的影响。