膽汁酸與關鍵內分泌和代謝信號通路之間的關系

徐運杰

（1.山東和美集團有限公司，山東 惠民 251700；2.唐人神集團股份有限公司，湖南 株洲 412000）

胃腸道（GI）中的營養感應是由專門的分化上皮細胞完成的，這些上皮細胞在食后加工處理和消化吸收過程中能感應到胃和腸腔中的營養素。營養感知的過程也被稱為“品嘗”，因為它實際上是指哺乳動物的味覺細胞從口腔開始對宿主所攝營養的化學感應。事實上，一些在口腔中調節味覺功能的分子機制也在小腸中起作用。腸內分泌（EE）細胞是特殊腸細胞，來源于干細胞的4種不同的上皮細胞系之一，干細胞位于黏膜內層，稱為隱窩[1-2]。腸內分泌細胞占腸黏膜上皮細胞總數的比例＜1%，但其代表了體內最大的內分泌“器官”或系統。這些細胞在結構和功能上都很特殊，其具有開放型的形態，頂端的刷狀邊緣表面延伸到腸腔，并與營養物質接觸，基底外側面對質膜，當細胞被激活時，腸肽激素從細胞內分泌顆粒釋放到血液中。

1 腸內分泌細胞的營養感應

EE細胞作為黏膜壁內的關鍵營養感應器，能夠識別腸腔中的糖、脂肪酸、氨基酸和肽。因此，EE細胞在協調管腔營養物質的識別與激素和神經遞質的分泌方面起著中心作用，這些激素和神經遞質反過來調節腸道的生理功能，如運動、液體分泌和血液流動。EE細胞不同于其他上皮細胞，如胃壁細胞和腸上皮細胞。EE細胞有20多種不同的細胞類型，其腸道位置和分泌的激素類型各不相同[3]。腸內營養感知過程的一個重要生理因素是激活作為內在和外在神經回路一部分的傳入神經末梢。這些位于黏膜壁的神經末梢能夠表達多種腸道激素如膽囊收縮素（CCK）、胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）、肽（YY）的受體，以及在EE細胞和生理功能（如血流和分泌）之間形成旁分泌聯系的神經遞質。腸內EE細胞營養感應的一個具體例子是對管腔葡萄糖的反應。葡萄糖通過主要在吸收腸上皮細胞表達的鈉葡萄糖協同轉運蛋白1（SGLT1）從腸中吸收。研究表明，腸腔內的葡萄糖和非代謝性葡萄糖類似物的存在使SGLT1轉運蛋白的表達上調[3]。葡萄糖增加腸細胞SGLT1表達的機制被認為與EE細胞有關，因為EE細胞也表達味蕾中存在的相同的味覺受體（T1R2+T1R3）。葡萄糖還激活EE細胞釋放腸促胰島素激素，如葡萄糖依賴性促胰島素肽（GIP）、GLP-1和GLP-2，參與胰島素分泌和外周葡萄糖攝取。研究認為，EE細胞中味覺受體T1R的葡萄糖依賴性激活觸發了腸肽激素的釋放，最終導致SGLT1表達和葡萄糖攝取增加。管腔葡萄糖還可以激活EE細胞釋放5-羥色胺（5-HT）或血清素，通過與迷走神經傳入回路的相互作用調節胃排空、胰腺外分泌和腸液分泌[3-4]。

2 胰高血糖素樣肽的分泌

GLP-1和GLP-2來源于一個前胰高血糖素（又叫胰高血糖素原）基因。胰高血糖素原基因以一個包含6個外顯子和5個內含子的2 kb轉錄本的形式表達，表達的原發部位有3個，分別是胰島α細胞、回腸和結腸遠端的腸內分泌“L”細胞以及大腦孤束核區的腸內分泌“L”細胞。GLP分泌的一個關鍵特征是由160個氨基酸組成的胰高血糖素原前體肽的組織特異性翻譯后處理。動物采食后，組織特異性地調節胰高血糖素原的加工和分泌非常顯著，即腸內GLP-1和GLP-2的分泌受到刺激，而胰高血糖素的分泌受到有效抑制。在胰腺α細胞中，前胰高血糖素肽主要被加工成胰高血糖素，而在腸L細胞和大腦區域，前胰高血糖素肽主要被加工成GLP-1和GLP-2。前體肽中的前胰高血糖素樣肽片段由堿性氨基酸組成，這些氨基酸是細胞內肽酶（PC）的裂解位點。因此，這種前胰高血糖素樣肽片段的終產物（即GLP-1、GLP-2和胰高血糖素）的差異分泌是通過在大腦和神經內分泌系統的選定細胞群中差異表達激素原轉化酶來實現的，其中的兩種酶，PC1/3和PC2，分別在腸L細胞和胰腺α細胞中表達。PC1/3負責胰高血糖素原C末端區域的裂解，在L細胞中形成GLP-1和GLP-2，而PC2負責胰高血糖素原N末端的裂解，在胰腺α細胞中形成胰高血糖素[5-6]。

采食或腸內營養注入是GLP-1和GLP-2分泌的主要刺激因素。腸內喂養對刺激GLP分泌的關鍵作用首次在狗身上得到證實[7]。研究表明，十二指腸內葡萄糖輸注可使胰高血糖素樣免疫反應的循環濃度增加100%，而靜脈葡萄糖輸注則無影響。這一觀察結果引出了腸促胰島素效應的概念，其描述了口服或腸內食物注入后，由于體液因素（稱為腸促胰島素）引起的腸相關胰島素分泌增強。隨后在動物和人類的研究報告證實了腸內營養刺激對GLP-1和GLP-2分泌的重要性[8-9]。Burrin等用新生仔豬研究表明，液體飼料比固體食物更能刺激相關胃腸激素的分泌[10]。在人體內的研究表明，碳水化合物和脂肪比蛋白質更能促進GLP的分泌。在豬體內，GLP-1分泌的增加更多的是由脂肪而不是葡萄糖刺激。回腸灌注研究表明，GLP-1的分泌是通過SGLT1轉運蛋白轉運葡萄糖、半乳糖和3-O-甲基葡萄糖，而不是由果糖、甘露糖、木糖或2-脫氧葡萄糖來刺激。體內和細胞培養的研究表明，單不飽和脂肪酸比飽和脂肪酸更能刺激GLP-1的分泌。盡管體內研究表明蛋白質和氨基酸是很弱的促分泌劑，但用嚙齒動物研究表明，回腸灌流蛋白胨可刺激GLP-1分泌。其他的內源性管腔因子如膽汁酸也可以誘導GLP-1的分泌。

3 膽汁酸與關鍵內分泌和代謝信號通路之間的關系

3.1 膽汁酸的生理作用

膽汁酸（BA）作為信號分子的概念是一個相對較新的發展，因為以前認為膽汁酸的關鍵生理作用主要是脂肪的消化吸收和膽固醇的排泄[11]。膽汁酸是由肝細胞中的膽固醇合成的兩親分子。鵝去氧膽酸（CDCA）和膽酸是人和豬等許多物種的膽汁酸的主要成分。在肝臟內，膽汁酸與牛磺酸和甘氨酸結合，形成帶負電荷的分子，一旦在肝細胞中合成和結合，膽汁酸就被輸送到膽管中，在消化過程中完全電離，在小腸的pH下高度溶解。結合膽汁酸在膽管和小腸中的腔濃度較高，因為其不能滲透到膽道膽管細胞和腸上皮細胞的頂端膜和細胞旁連接處。

膽汁酸一旦分泌到腸道，其核心功能是溶解膳食脂質，促進其在消化道的消化吸收。大多數分泌到腸道的膽汁酸在小腸或回腸的遠端被重新吸收，并通過門靜脈血液循環再回流到肝臟，稱為腸肝循環。在成人體內，膽汁酸含量約為2 g，每天經腸肝循環12次。每天分泌到腸內的膽汁酸，約95%的經門靜脈血液循環再回流到肝臟，而剩下的5%經糞便排出，這是膽固醇排泄的主要途徑。在小腸的消化過程中，結合膽汁酸會被腸腔細菌解偶聯，轉化為次級膽汁酸。結合膽汁酸解偶聯始于小腸遠端，因此回腸末端常呈現結合膽汁酸和非結合膽汁酸的混合物。結合膽汁酸在近端小腸中很難被吸收，但在回腸中被頂端的鈉依賴性膽汁酸轉運蛋白有效地吸收。膽汁酸一旦被回腸上皮細胞吸收，便與細胞溶質回腸脂質結合蛋白結合，并由有機溶質轉運蛋白（OST）OSTα-OSTβ通過基底外側膜進入門靜脈循環[12]。

3.2 膽汁酸的受體和信號通路

Parks等和Wang等研究，發現膽汁酸是核受體法尼樣X受體（FXR）的天然配體，膽汁酸作為信號分子的觀點被確立[13-14]。FXR是核受體超家族的成員，在肝、腸、腎和腎上腺中高度表達。最有效的天然FXR配體是CDCA，但其他膽汁酸（即膽酸、石膽酸和脫氧膽酸）也能激活FXR。許多研究表明，FXR是膽汁酸的主要感受器，參與膽汁酸代謝的各個方面，包括膽汁酸在肝臟和腸中的合成、運輸、解毒和排泄。膽汁酸的合成受到嚴格的調控，因為破壞會導致肝膽代謝紊亂，如膽汁淤積和纖維化。因此，通過直接激活FXR來調節膽汁酸的合成是一個中心調控機制。FXR激活能夠潛在抑制膽固醇7α-羥化酶（CYP7A1）的表達，其是膽汁酸合成中的限速酶，通過調節膽汁酸合成、攝取和輸出相關基因的表達來維持肝細胞膽汁酸穩態。

另一個FXR信號通路是抑制肝膽汁酸合成的負反饋機制，涉及成纖維細胞生長因子（FGF）19。用小鼠研究表明，FXR能夠刺激腸FGF15及其人類同源FGF19的轉錄，FGF19是分泌因子，能夠抑制CYP7A1在離體肝細胞和小鼠中的表達[15]。Kim等研究表明，肝（FxrL）或腸（FxrIE）中的組織特異性FXR基因敲除增加了膽汁酸池的體積[16]。然而，用FXR選擇性激動劑GW4064治療能顯著抑制FxrL小鼠的CYP7A1，而對FxrIE小鼠則沒有。這表明CYP7A1的抑制主要是由FXR在腸道而不是肝臟的激活所介導的。研究證實，小鼠腸道FGF15的選擇性激活對肝臟有保護作用，防止膽汁淤積[17]。通過FXR誘導腸FGF19分泌主要發生在回腸遠端的上皮細胞中，因為這是膽汁酸轉運蛋白表達最高的地方[12]。

關于FXR-FGF19軸在腸上皮細胞中的組織特異性定位和分子調控知之甚少，值得進一步研究。FGF19的受體是FGF受體4（FGFR4），在肝臟中豐富，缺乏FGFR4的小鼠膽汁酸池增加。通過FGFR4激活細胞內FGF19信號還需要輔助受體β-Klotho的參與，而這種輔助受體的組織特異性表達是FGF19反應性的重要決定因素[18]。用膽甾胺（消膽胺）治療導致血清7α-羥基膽固醇-4-EN-3-One（C4，即CYP7A1活性的標志物）升高和FGF19水平降低，而CDCA治療使血漿FGF19升高和血清C4降低[19]。Jain等研究發現，全腸外營養（TPN）顯著降低了仔豬循環FGF19的濃度（P＜0.05），表明腸腔膽汁酸刺激對維持TPN新生仔豬循環FGF19分泌的重要性[20]。FGF19是一種新的腸因子，通過膽汁酸激活腸內FXR而誘導分泌，在膽汁酸合成的反饋抑制中起到腸肝信號的作用。

另一個主要的膽汁酸受體是G蛋白偶聯膜受體（GPCR）TGR5，也稱為G蛋白偶聯膽汁酸受體1（GPBAR1）或GPR131[21-22]。TGR5是一種細胞表面膽汁酸受體，是GPCR類視紫紅質亞家族的一員。最初被認為是一個孤立的GPCR，TGR5最近重新歸類為GPCRs41膽汁酸受體亞類。人TGR5被多種膽汁酸激活，石膽酸是最有效的天然激動劑，而其他結合和非結合膽汁酸也能激活TGR5，包括脫氧膽酸、CDCA和膽酸。TGR5受體mRNA在膽囊中轉錄最多，在棕色脂肪組織、肝臟和腸道中轉錄較少。廣泛的組織表達譜和在哺乳動物中高度保守的事實表明，TGR5在生理和代謝中具有重要作用。TGR5在膽道、膽囊和胃腸組織中的高表達表明其在膽汁酸信號和腸道功能中的重要性。也有研究表明，TGR5在膽囊充盈和收縮中起重要作用[23]。研究發現TGR5在腸上皮內的原代腸內分泌細胞中表達，在腸內分泌細胞系中高表達。此外，Reimann等和Parker等研究表明，膽汁酸能夠激活腸內分泌細胞中的環磷酸腺苷（cAMP）和鈣信號，從而觸發GLP-1和GLP-2分泌進入門靜脈[24-25]。結合膽汁酸通過頂端鈉依賴性膽汁酸轉運蛋白（ASBT）轉運到回腸上皮細胞，并結合細胞內回腸脂質結合蛋白（ILBP），然后通過有機溶質轉運蛋白（OST）轉運到門靜脈。Thomas等研究表明，TGR5受體作為膽汁酸誘導GLP-1分泌的分子機制非常重要[26]。

4 膽汁酸的代謝作用

膽汁酸刺激腸內不同上皮細胞分泌FGF19和GLP-1，產生內分泌信號，在體內具有多種代謝作用。腸腔膽汁酸對FGF19分泌以及GLP-1和GLP-2分泌具有差異激活作用，FGF19作用的靶點主要是肝臟和腸肝膽汁酸分泌的負反饋，GLP-1和GLP-2作用的靶點分別是胰腺β細胞和胃腸黏膜。如前所述，腸內FGF19分泌的主要作用是調節肝臟膽汁酸穩態，但FGF19的功能遠遠超出膽汁酸穩態。

FGF19對葡萄糖、蛋白質和脂質代謝有重要的調節作用[18,22]。FGF19在小鼠體內的過度表達降低了脂肪和血清甘油三酯，提高了代謝率和血糖控制[27-28]。同樣，FGFR4基因敲除小鼠表現出葡萄糖不耐受、血脂異常和肥胖增加，這些表型似乎是由肝臟FGFR4的表達所決定[29]。在老鼠身的研究發現，FGF19作為一種平行但獨立的內分泌激素，與胰島素一起控制肝臟葡萄糖和蛋白質代謝，FGF19在抑制糖異生的同時，誘導了肝糖原和蛋白質的合成，這些代謝效應是通過細胞內信號途徑介導的，這些信號途徑與胰島素控制的信號途徑是分開的[30]。FGF19對肝臟脂質代謝的影響知之甚少，但可能增加脂肪酸氧化并抑制甘油三酯合成，兩種結果均可減少肝脂肪變性。

膽汁酸對EE細胞分泌GLP的誘導具有多種代謝作用。然而，大多數研究都集中在膽汁酸誘導的GLP-1分泌上，因為這對糖尿病和肥胖癥的治療具有重大意義。GLP-1是餐后促胰島素分泌的主導激素，可刺激胰島素分泌，增加血糖清除率和胰島素敏感性，減少胰高血糖素分泌和肝糖原異生，減少胃排空和降低食欲[31-32]。GLP-1受體位于肝臟、胰腺和腸黏膜等這些組織的細胞內，也存在于可能在腸道和大腦之間的神經反射中發揮作用的神經中。增強GLP-1分泌和生物學功能可以治療和控制2型糖尿病[33]。此外，這些腸激素的生物活性由二肽基肽酶-4（DPP-4）的活性調控。

Thomas等報道，可以通過口服膽汁酸增加GLP-1的分泌，防止代謝功能障礙和葡萄糖不耐受[26]。膽汁酸螯合劑是為了限制膽汁酸介導的脂類和膽固醇在腸道中的吸收而開發的，其中包括膽甾胺和鞘氨醇等藥物[34]。對動物和人類糖尿病患者的研究表明，膽汁酸單獨或與DDP-4抑制劑聯合應用可改善血糖和胰島素敏感性，增加胰腺β細胞質量，增加GLP-1分泌[34]。膽汁酸螯合劑治療改善血糖，是通過膽汁酸誘導TGR5和增加GLP-1分泌來介導的。肥胖者或嚙齒動物在胃旁路術（RYGB）或袖狀胃切除術后血糖和胰島素敏感性的改善和食欲的抑制與腸促胰島素激素如GLP-1的分泌增加有關[15,35]。目前還不清楚減肥手術的代謝作用是否涉及腸FXR-FGF19軸的激活，但Pournaras等和Ryan等研究發現，肥胖患者在RYGB手術后不久血清FGF19濃度升高[36-37]。

以上的討論主要集中在膽汁酸誘導的FGF19和GLP-1對肝臟和胃腸道外周組織代謝的內分泌作用上。然而，腸腔中膽汁酸所觸發的多種生理作用不僅涉及FGF19或GLP-1，還涉及腸內分泌細胞分泌的其他腸道激素，包括GLP-2和肽YY。研究發現，豬腸外膽汁酸輸注后血漿GLP-2濃度的升高與腸道生長有關[38]。破壞腸道膽汁酸轉運蛋白（OSTα）也導致腸長度、重量和絨毛形態的增加[39]。這些研究結果表明，肝腸循環的喪失和糞便中膽汁酸的積累，導致GLP-2分泌增加，觸發了小腸內的營養作用。但是膽汁酸的營養作用是否由TGR5介導的GLP-2分泌增加來解釋有待進一步研究。

5小 結

隨著營養感應分子基礎的成熟，消化生理學領域的研究迅速擴展。新的細胞受體對腸道特殊營養物質和分泌因子的感應機制的發現已經成為一個非常活躍的研究領域。腸FXR-FGF19信號通路的深入研究揭示了一種新的腸因子FGF19在調節膽汁酸平衡和調控糖脂代謝中發揮的作用。TGR5是EE細胞內膽汁酸感應與腸促胰島素激素分泌之間的分子聯系，這一發現將膽汁酸列入了營養物質清單。雖然這些信號通路生物學的大部分信息都來自于對嚙齒動物和人類的研究，但是這些途徑的生物學功能對豬的健康和生長具有重要的影響。這將在新生和斷奶仔豬的營養方面有許多潛在的應用價值，因為豬從出生到斷奶這段時期，日糧的成分和營養質量以及胃腸生理的成熟和發展都發生了深刻的變化。幼豬在生理上適應這些變化的程度決定了其未來的生存、健康和生長速度。在斷奶期和保育期日糧中添加商品膽汁酸鹽或DPP-4抑制劑促進GLP-2的分泌和提高GLP-2的生物活性，有利于增加腸道的生長、提高消化能力和降低腹瀉率。另外，天然TGR5激動劑也可以調節斷奶仔豬GLP-2的分泌。理清腸道膽汁酸感應與關鍵的內分泌和代謝信號通路之間的關系，有助于商品膽汁酸鹽在養豬業的合理應用和新飼料添加劑的研發。