膽汁酸代謝與2型糖尿病的研究進展

賈敏杰 綜述， 馮 波 審校

(同濟大學附屬東方醫院內分泌科，上海 200120)

隨著我國經濟的發展和生活方式改變，肥胖患病率逐漸上升，糖尿病患病率也呈快速增長趨勢，但目前其發病原因及發病機制尚未明確。近年來，研究發現，膽汁酸(bile acids, BA)可影響腸道激素的合成與分泌，并參與葡萄糖代謝的調節。BA可激活法尼醇X受體(farnesoid X receptor, FXR)促進成纖維細胞生長因子19(fibroblast growth factor 19, FGF19)分泌，以及活化G蛋白偶聯膽汁酸受體5(G protein cooupled bile acid receptor 5, TGR5)促進腸道L細胞分泌胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide, GLP-1)調節葡萄糖代謝[1]。探究BA及其代謝調節機制可為肥胖、糖尿病等代謝性疾病的治療提供新的方向。

1 BA代謝

肝臟中BA主要由膽固醇在肝細胞中通過一系列類固醇羥基化和側鏈氧化步驟合成。膽固醇向BA的轉化涉及17種不同的酶，位于胞液、內質網、線粒體和過氧化物酶體中，這些酶催化類固醇環的修飾和側鏈3個碳的氧化裂解形成初級BA。BA的合成途徑主要有以下兩條： 經典途徑和替代途徑。經典途徑占BA合成的大部分，該途徑類固醇環修飾先于側鏈切割，依賴于膽固醇7α-羥化酶(cholesterol 7α-hydroxylase, CYP7A1)和甾醇12α-羥化酶(sterol 12α-hydroxylase, CYP8B1)，其催化C7和C12位置α的羥基化，分別產生膽酸(cholic acid, CA)、鵝去氧膽酸(chenodeoxycholic acid, CDCA，在人中占優勢)和鼠膽酸(muricholic acid, MCA，在嚙齒動物中占優勢)。CYP7A1是經典途徑中唯一的限速酶，其活性決定了BA池的大小，而CYP8B1決定了CA∶CDCA或CA∶MCA的比值，從而決定了BA池的組成[2]。替代途徑側鏈切割先于類固醇環修飾，涉及由甾醇27α-羥化酶(sterol-27-hydroxlase, CYP27A1)催化的初始酶促步驟，然后通過甾醇7α-羥化酶(oxysterol 7α-hydroxylase, CYP7B1)進行BA羥基化。兩種途徑都產生初級BA，隨后與牛磺酸或甘氨酸結合，儲存于膽囊，進食刺激后釋放到十二指腸。在腸道中，初級BA被腸道細菌7α-脫羥基形成次級BA，其中有95%的BA在回腸末端通過被動擴散和主動轉運經門靜脈重吸收回到肝臟，繼而進入下一次循環，糞便中丟失的BA由肝臟中從頭合成補充，從而維持BA池的穩定。

BA、膽固醇、甲狀腺激素、糖皮質激素、胰島素和營養素調節CYP7A1活性和BA合成速率。BA結合樹脂如消膽胺阻斷瘺引流膽汁對大鼠BA的腸肝循環或CYP7A1酶活性和BA合成具有強烈的刺激作用，而用BA喂養大鼠強烈地降低了CYP7A1酶活性和BA合成[3]。這些結果意味著BA合成受負反饋調節，并且通過腸肝循環返回肝臟的BA抑制CYP7A1活性，直接或間接抑制BA合成。由于CYP7A1是一種高度特異性的羥化酶，僅使用膽固醇作為底物，并在7α位置插入羥基。因此，膽固醇作為底物的可用性(Km效應)調節CYP7A1的特異活性。研究發現，胰島素可能具有雙重功能，生理濃度的胰島素抑制叉頭盒O1(forkhead box O1, FoxO1)活性，誘導CYP7A1基因和BA合成，導致BA庫增大，循環BA升高；胰島素抵抗可誘導人肝細胞中的類固醇調節元件結合蛋白-1c(steroid regulatory element-binding protein-1c, SREBP-1c)表達，抑制CYP7A1基因轉錄[4]。在人類中，反映BA合成速率的血清7α-羥基-4-膽甾烯-3-酮(C4)水平在禁食期間減少并且在餐后狀態期間增加，表明BA合成在餐后被誘導，在禁食期間被抑制，證明營養素在禁食和再喂食周期中對BA合成的調節起著關鍵作用[5]。

2 BA譜的改變對糖代謝的影響

CYP8B1是合成12α-羥基化BA所必需的，決定了BA譜。在胰島素抵抗患者中，觀察到BA合成和12α-羥基化[CA/脫氧膽酸(deoxycholic acid, DCA)]與非12α-羥基化[CDCA/石膽酸(lithocholic acid, LCA)/熊脫氧膽酸(ursodeoxycholic acid, UDCA)]BA的比例均增加，提示12a-羥基化BA是胰島素作用的負調節因子[6]，表明循環BA譜的改變與胰島素抵抗和T2DM的發病機制有關。不同的BA亞型表現出不同程度的疏水性，這取決于諸如電離狀態、羥基數量、位置和方向等因素，疏水BA與親水BA的相對量決定了BA池的總體疏水性[7]。T2DM與人體循環BA池的疏水性增加有關。與此相一致的是，親水性BA亞型，如牛磺酸脫氧膽酸(tauroursodeoxycholic acid, TUDCA)，在嚙齒類動物模型和T2DM患者中已被證明可以預防炎癥和提高胰島素敏感性[8-9]。相反，疏水性BA亞型，如DCA，已被證明可促進炎癥和內質網應激，這些與葡萄糖調節受損有關[10-11]。CYP8B1基因敲除可降低小鼠BA疏水性，并預防包括肥胖和T2DM在內的多種代謝疾病[12-13]。這些結果表明通過CYP8B1改變BA譜可能是治療T2DM和肥胖等代謝疾病的有效靶點。

3 BA信號轉導對糖代謝的影響

BA是脂肪、脂溶性維生素、固醇類物質在腸道內吸收的生理調節劑，同時也是通過激活FXR和TGR5來調節肝臟糖代謝的信號分子[1]。BA的信號通路紊亂會使胰島素敏感性降低，進而影響糖的代謝，因此，探究BA信號通路的調節有望為T2DM的治療提供新思路。

3.1 BA通過FXR對糖代謝的調節

FXR作為胞核受體家族的一員發揮著調節轉錄因子的作用，是BA天然受體中發現最早的一種,在肝臟、小腸、腎臟、腎上腺及白色脂肪組織等組織器官中均有表達，其中以肝臟、小腸中的表達量最高[14]。不同BA的FXR的激活作用不同，其中CDCA是最有效的FXR膽汁酸配體，其次為DCA、LCA、CA[15]。

FXR與類視黃醇X受體(retinoic X receptor, RXR)形成異二聚體，抑制BA生物合成中限速酶CYP7A1的表達，導致肝臟膽固醇向BA的轉化減弱。FXR對CYP7A1依賴的抑制通過兩種機制介導： 在肝臟中，FXR誘導小異源二聚體配體(small heterodimer partner, SHP)的表達，進而抑制CYP7A1。在腸道中，FXR增加成纖維生長因子15(FGF15或人直系同源FGF19)的水平，降低CYP7A1和CYP8B1的表達，從而抑制BA的合成。肝臟BA-FXR信號轉導通過抑制肝臟糖異生相關酶，包括磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpy-ruvate carboxykinase, PEPCK)和葡萄糖6-磷酸酶(glucose 6-phosphatase, G6Pase)來調節餐后葡萄糖水平，同時誘導肝糖原合成。最近一項研究報道，肝臟同時缺失FXR和SHP可改善老年小鼠的葡萄糖耐量和脂肪酸代謝，逆轉了肥胖和葡萄糖耐量受損增加的衰老表型[16]。支持了肝臟FXR-SHP信號在控制全身葡萄糖和能量穩態中關鍵作用。BA-FXR介導的腸FGF15/19與肝FGFR4/βKlotho結合，從而促進肝糖原合成和降低血糖。然而近幾年研究發現，FXR信號在胃腸道中被激活后，可通過抑制腸道L細胞糖酵解，降低細胞內ATP水平，從而抑制GLP-1分泌，減少胰島素的分泌，升高血糖[17]。FXR腸缺乏癥的小鼠對肥胖和葡萄糖耐受不良具有保護作用[18-19]，表明腸道FXR在驅動肥胖相關病理中的核心作用。與此相一致的，一些研究顯示用腸FXR拮抗劑治療的肥胖和T2DM小鼠顯著降低葡萄糖耐受不良、胰島素抵抗、脂肪肝以及由于較低的腸道和總神經酰胺水平而導致的能量消耗增加[18-20]。與此相反的是，Fang等[21]發現腸道FXR激動劑非帕拉明對肥胖和T2DM小鼠的作用可減少體質量增加、葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗，同時增加能量消耗。經非帕拉明處理的小鼠，除BA池變小外，循環BA的相對組成發生顯著變化，BA合成從CA轉向CDCA衍生物，最顯著的是LCA，而LCA是TGR5最有效的內源性配體。此外，口服非帕拉明小鼠的棕色脂肪組織可誘導TGR5下游靶點Dio2，該通路可導致能量消耗增加。表明除FXR信號轉導外，FXR激動劑可部分調節TGR5信號轉導。但大多數研究表明，腸FXR的激活對血糖反應和能量消耗具有不利影響，表明抑制腸FXR信號轉導具有治療高血糖癥的潛力。

3.2 BA通過TGR5對糖代謝的調節

TGR5,也稱M-BAR、GPBAR或者GPR131，由330個氨基酸組成,包含7個跨膜結構域,屬于G蛋白偶聯受體家族成員,是一種新型BA受體,不同BA激活TGR5的能力不同，以LCA的激活能力最強。TGR5可在與代謝性疾病相關的腸道、胰腺、骨骼肌組織等多個器官中表達。研究發現TGR5基因的敲除可刺激肝臟BA經典合成途徑限速酶CYP7A1的基因表達，同時抑制替代合成途徑中關鍵調節酶CYP27A1和CYP7B1的基因表達，增加12a-羥基化BA的含量，使BA池疏水性升高，誘導胰島素抵抗的發生[22]。在腸道中，BA激活TGR5促進腸道L細胞分泌GLP-1，后者作用于胰腺β細胞并調節胰島素分泌。該信號的轉導通過激活細胞色素C氧化酶(cytochrome Coxidase, COX)和提高cAMP的水平，從而使ATP/ADP比率和細胞的耗氧量升高，致電壓門控鈣通道(CAv)開放和K-ATP通道的關閉，導致GLP-1分泌和葡萄糖穩態的改善[23]。FXR可對腸道L細胞GLP-1產生負調節作用。這些結果表明，在腸L細胞中BA激活TGR5和FXR可以誘導對GLP-1的分泌產生相反作用。L細胞中的TGR5激活可能在食物攝取后迅速發生，而FXR因需要轉錄激活導致反應延遲，這種差異導致BA-TGR5信號通路對GLP-1分泌的積極作用與FXR介導的對GLP-1釋放的抑制作用在餐后時間上的分離。因此，激活TGR5信號并阻斷腸道FXR可能成為控制T2DM患者血糖的一種創新方法。

4 BA通過腸道菌群影響糖代謝

近年來，隨著BA代謝與腸道菌群關系的深入研究，發現腸道微生物不僅在BA的合成、生物轉化及重吸收等過程中具有重要作用，也可間接作用于糖脂及能量的代謝。在腸道中，BA和微生物群的組成相互影響，腸道微生物群通過多種反應對BA進行轉化，例如，膽鹽水解酶(biliary salt hydrolyase, BSH)水解共軛堿，使CA和CDCA的7α-脫羥基化分別形成DCA和LCA，以及C3、C7、C12位羥基的氧化和異構化。腸道微生物群也使BA酯化(LCA的乙基酯、長鏈脂肪酸酯和DCA的聚酯)，增加其疏水性[24]。具有BSH活性的益生菌，如乳酸桿菌、雙歧桿菌、擬桿菌可顯著加快BA代謝，產生游離BA。游離BA溶解腸內脂質，其再吸收率較低，導致糞便BA排泄增加，同時通過FXR在腸道細胞和肝細胞或TGR5在各種組織的作用來改善宿主的代謝適應[25]。反過來，BA可通過破壞細菌細胞膜，改變細胞內大分子結構表現出抗菌作用。DCA是最有效的抗菌BA之一，殺菌活性約為CA 10倍，DCA嚴重抑制許多腸道細菌的生長，包括產氣莢膜梭菌、脆弱擬桿菌、乳酸桿菌和雙歧桿菌。因此，BA似乎對腸道微生物群施加強烈的選擇壓力，只有能夠耐受生理濃度的BA的微生物群體才能在腸道中存活[26]。經無菌或抗生素處理的嚙齒類動物，厚壁菌門、乳酸桿菌減少，變形菌門增多，TαCA、TβMCA(兩種具有鼠特異性FXR拮抗劑的BA)及不飽和牛磺酸結合BA(C24O4)的合成增加，非牛磺酸結合BA(αMCA和βMCA)及甘氨酸結合BA減少，同時高脂肪飲食(highfatdiet, HFD)誘導的肥胖、胰島素抵抗和非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)得到改善[19]。與此相一致地，用益生菌治療小鼠，例如VSL#3，可增強糞便BA排泄，通過下調FXR/FGF15軸來增加肝臟BA合成[27]。由于T2DM、肥胖及NAFLD等代謝疾病與BA池大小、組成的變化及腸道菌群失調相關，胰島素抵抗、肥胖患者總BA升高，具有降低BSH活性的厚壁菌門增多，改善胰島素抵抗的乳酸桿菌減少[28-29]。減重術后，肥胖人群腸道微生物群改變為與瘦人群更為相似的菌群，厚壁菌門數量明顯減少，而耐受BA的變形菌門增多[30]。NAFLD患者存在與BA合成增加、初級與次級BA比例增加、糞便初級BA增加相關的生態失調[31]。所以腸道菌群與BA代謝的相互作用對這些代謝疾病具有重要意義。綜合來看，可以通過改善腸道菌群構成、BA池大小及組成比例等來共同調節宿主代謝，但是腸道菌群種類多，數量大，雖有研究表明腸道菌群、BA與T2DM、肥胖等代謝疾病有著千絲萬縷的關系，但其作用機制尚不完全明確，通過腸道菌群來進一步認識和治療T2DM，并以此為基點尋找更有效的治療方法成為今后研究的方向。

5 BA通過減重手術調節糖代謝

現用于治療肥胖的減重手術，如Roux-en-Y胃轉流術(roux-en-Y gastric bypass, RYGB)和袖狀胃切除術(sleeve gastrectomy, SG)，是目前最流行的減重及治療T2DM術式，被證實可顯著減輕體質量，改善患者的胰島素敏感性、胰島β細胞功能及血脂異常，同時可降低T2DM相關并發癥的發生率和病死率，被認為是治療肥胖型T2DM的有效方法[32]。大量研究表明，BA在減重手術緩解的過程中起到重要作用。研究發現RYGB術后空腹和餐后循環BA均增加，同時觀察到12a-羥基化/非羥基化BA比值升高[33-34]；還發現BA與其他幾種代謝活性肽呈正相關，包括脂聯素、肽YY、特別是GLP-1[34]。而SG術后的數據不太一致，循環BA水平升高、短暫降低或保持不變。因此，術后BA的顯著增加可能取決于手術的類型。Ryan等[35]利用全身FXR敲除小鼠模型進行實驗，結果顯示FXR有助于SG后體質量減輕和葡萄糖調節改善。有研究顯示TGR5有助于改善小鼠SG后的葡萄糖調節，這種現象與肝臟CYP8B1的表達通過TGR5依賴性機制下調導致BA池疏水性降低相關，而對肝臟CYP7A1表達沒有影響[36]。這些研究結果的差異強調了減重術后FXR-TGR5-BA相互作用的復雜性，同時也是減重手術改善糖代謝等疾病的關鍵因素。

6 展 望

綜上所述，BA對T2DM等代謝疾病的影響高度復雜，其作為一種有效的內分泌信號因子，通過FXR和TGR5信號通路，以及與腸道菌群的相互作用來調節糖的代謝。因此，更深入的研究BA受體及其信號通路在治療T2DM中應該有較好的前景。