腸道菌群對膽固醇和膽汁酸的代謝和轉化

陳靜瑩

（浙江中醫藥大學，浙江杭州 310053）

膽固醇和膽汁酸屬于固醇類化合物，是由三個六碳環和一個五碳環連接組成的有機化合物。膽固醇結構復雜且穩定[1]，是真核細胞細胞膜的重要組成部分，也是合成維生素D、膽汁酸和固醇類激素的前體[2]。在機體內只有1/3左右的膽固醇來自于飲食等“外源性物質”，另外2/3屬于內源性膽固醇，是在人體細胞內合成的[3]。膽固醇過多會引發人的動脈粥樣硬化、冠心病以及其他心腦血管疾病。而只有肝臟細胞具有將膽固醇轉化成膽汁酸的能力，從而降低膽固醇濃度[4]。在機體內，肝臟和腸道一起控制膽固醇和膽汁酸的流入和流出方式，維持機體膽固醇的穩態[5]。腸道中的菌群可以對膽固醇和膽汁酸進行化學修飾，進而影響其介導的生理機制。目前，腸道微生物群-膽汁酸軸的變化被認為對人類健康具有決定性影響。

腸道菌群是指定植在機體腸道內包括細菌、真菌、古細菌、病毒和原生動物在內的微生物群落。運用新一代測序技術，可以發現人類胃腸道中有1 000～1 150種細菌，數量約100萬億，是人體細胞數量的10倍。目前，越來越多的人認識到腸道菌群對維持機體正常代謝、保證機體健康的重要作用。本文就腸道菌群對膽固醇和膽汁酸代謝的影響進行綜述。

1 腸道菌群對膽固醇代謝的研究

1.1 腸道菌群將膽固醇轉化為糞甾醇

20世紀30年代，人們首次發現兩歲兒童腸道內的菌群能夠轉化膽固醇，其對膽固醇的作用是通過多種酶促反應將膽固醇轉化為更不易吸收的糞甾烷酮和糞甾烷醇，并隨糞便排出，這一反應有助于降低機體內膽固醇的含量[6]。機體內腸道菌群將膽固醇轉化為糞甾烷醇的過程有高效途徑和低效途徑兩種，其中大部分膽固醇通過高效途徑轉化，而通過低效途徑轉化形成的糞甾烷醇不足糞便中性甾醇的1/3。2006年，壽穎穎等人[7]從人體內分離出了降膽固醇的腸球菌（Entercoccus）；2012年，陳夢娜等人[8]從東北虎的糞便中分離出了高效降膽固醇的雙歧桿菌（Bifidobacteria）和乳桿菌（lactobacillus），為進一步研究腸道細菌降解膽固醇的途徑打下基礎。同時有研究表明，鏈霉球菌（Streptococcus）也可以將膽固醇轉化為糞前列腺醇，但是這些菌對膽固醇的降解作用只在體外實驗中得到證明，并未在體內得到證實[9]。

1.2 腸道菌群對膽固醇的吸附

20世紀70年代，研究者發現腸道中膽固醇可以結合到細菌細胞膜上，由此提出了腸道菌群對膽固醇的吸附以及將膽固醇結合到自身細胞膜上的作用機制。隨后大量研究集中在腸道菌群對膽固醇的吸附作用上，目前提出兩種腸道菌群作用膽固醇的途徑：（1）膽固醇與腸道菌群的細胞壁結合；（2）膽固醇的共沉淀。在體外試驗中，研究人員發現培養基中的膽固醇大部分吸附于細菌細胞膜，并不進入細胞被降解代謝，從而使細胞膜結構更加完整和堅固。在早期研究中，研究人員提出部分細菌可以分泌一些能夠吸附膽固醇的脂外多糖。，該吸附膽固醇的行為吸附是否能夠對腸道中的細菌起保護作用仍然不清楚，因為機制仍然未知，需要更深入的研究來證明。

2 腸道菌群對膽汁酸代謝的研究

2.1 膽汁酸的早期解離

膽鹽水解酶（Bile Salt Hydrolases，BSH）普遍存在于哺乳動物的胃腸道菌群中，可以催化結合型膽汁酸分解，釋放甘氨酸和牛磺酸，而腸道細菌可以利用甘氨酸和牛磺酸作為能量來源和代謝合成底物。目前，已經在梭菌屬（Fusobacterium）、雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）、乳酸菌屬（Lactobacillus）、腸球菌（Enterococcus）等細菌中檢測到BSH活性，并且已經從脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）、外陰桿菌（Vulvobacillus）、產氣莢膜梭狀芽孢桿菌（Clostridium Perfringens）、單核細胞增生李斯特菌（Listeria Monocytogenes）以及多種乳酸桿菌和雙歧桿菌中分離純化得到該酶。有研究認為BSH活性是腸道菌群的膽汁酸解毒機制，細菌可能在轉化結合型膽汁酸過程中獲得碳、氮甚至硫等營養物質，特別是能夠將牛磺酸中的磺酸部分還原成硫化氫；同時，這一過程也能改善腸道菌群結構[10]。有研究表明，BSH基因在腸道菌群中缺失能夠顯著降低李斯特菌的感染性[11]。

2.2 3-羥基、7-羥基、12-羥基的氧化和差向異構化

腸道細菌的膽汁酸羥基類固醇脫氫酶（HSDHs）具有催化膽汁酸羥基氧化成氧代基團的活性，這一過程是可逆的。這一過程需要兩種立體結構不同的HSDHs的作用，可以由含α-HSDHs和β-HSDHs的單一細菌或由僅含有其中一種酶的兩個細菌來進行。在腸道厚壁菌門的幾種細菌中，檢測到3α-HSDHs和3-HSDHs，而3-羥基差向異構化現象僅在產消化鏈球菌、產氣莢膜梭菌和遲緩埃格氏菌中觀察到。7α-HSDHs在梭菌屬、真細菌屬、擬桿菌屬或埃希氏菌屬的細菌中廣泛存在，而7β-HSDHs僅在厚壁菌屬中檢測到，目前編碼7α-HSDHs的基因已經從幾個種屬中被克隆出來。12-氧化膽汁酸在人體糞便中含量很低，在厚壁菌門的部分菌株中檢測到了12α-HSDHs和12β-HSDHs活性，但是目前并沒有發現同時具有這兩種酶的菌株。雖然差向異構化能力已經在幾種腸道細菌中得到證實，但是這種代謝活動的生理意義和功能意義仍需要進一步探究。

2.3 7α羥基脫除

與氧化和差向異構化不同，7α脫羥基只能在結合型膽汁酸解偶聯發生之后才可以進行。機體內主要的膽汁酸（膽酸和鵝去氧膽酸）通過7α脫羥基生成脫氧膽酸和石膽酸，是人類機體中膽汁酸在生理上最顯著的轉化。目前，已知的具有7α-脫羥基活性的細菌種類是厚壁菌門（梭菌屬、真細菌屬）中的細菌，從腸道中分離的閃爍梭狀芽孢桿菌已經被廣泛用于研究7α-膽汁酸脫羥基的膽汁酸誘導“bai”酶系統。

2.4 酯化

在人類糞便中檢測到的大量脫氧膽酸低聚物，是由C24羧基與3α-羥基酯化形成的。糞便中被酯化的膽汁酸可占糞便膽汁酸的25%。而在膽汁中并未發現這種酯，表明其是由腸道菌群催化產生的，且體外研究發現混合糞便培養物可以將膽汁酸轉化為C-24乙酯[12]。目前，已經在梭菌屬（Clostridium）、消化球菌屬（Peptococcus）、梭桿菌屬（Fusobacterium）和假單胞菌屬（Pseudomonas）等腸道分離菌中檢測到膽汁酸硫酸酯酶活性，并從睪酮假單胞菌中分離純化出該酶[13]。

3 結語

微生物組學分析和糞便移植技術都證明了腸道菌群在膽固醇和膽汁酸轉化中的關鍵性作用。很多實驗證據從酶的功能和轉錄調控方面深入探討了腸道細菌代謝膽固醇和膽汁酸的功能和途徑。然而，由于類固醇化合物結構復雜，代謝途徑較長，目前這一領域尚有很多空白之處，很多可能的代謝過程還未被證實。這些研究對揭示動物生長、發育的過程意義重大，同時也是一個非常巨大的挑戰。