源于腸道菌群的γ-氨基丁酸對機體的調節機制

李佳佳，楊 彪，陳明星，吳建云

(西南大學 動物科技學院，重慶 400715)

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)是中樞神經系統主要的抑制性神經遞質，由谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase，GAD)催化L-谷氨酸發生脫羧反應生成的一種非蛋白質氨基酸(C4H9NO2)。GABA受體包括GABAA、GABAB、GABAC等3種類型。GABA不僅存在于腦組織中，在肝臟、腎臟、胃、小腸以及生殖器官等許多外周組織中都有GABA表達[1-2]。近年來的研究表明，腸道菌群在調節中樞神經系統生理[3]、焦慮[4]、抑郁[5-6]、內臟疼痛[7]和社會行為認知[8-10]等多方面發揮著重要作用。據報道，腸道菌群尤其是乳酸菌和雙歧桿菌可產生大量的GABA，這些GABA與食欲[11]、睡眠[12]、精神抑郁[13]和糖尿病[14]等密切相關。腸道菌群產生的GABA通過調節神經系統、血液代謝和黏膜免疫等作用于機體。現主要就來源于腸道菌群的GABA對機體的調節機制進行綜述，為GABA、腸道菌群的基礎研究以及臨床應用提供參考依據。

1 合成GABA的腸道菌群種類

在胃腸道中，寄生了約100萬億、近1 150種微生物[15]，包括細菌、病毒、噬菌體、寄生蟲和真菌等。其中，細菌的種類高達300～1 000種，以厚壁菌門和擬桿菌門細菌占較大比例，放線菌門、變形菌門和疣微菌門細菌次之[16]，這些細菌在很大程度上影響著整個菌群的功能，各菌之間相互制約，相互依存，決定著菌群對宿主的生理、病理作用。研究發現，有多種能夠合成GABA的腸道細菌，其中乳酸菌和雙歧桿菌是產生GABA的主要腸道細菌[17-20]。由于天然動植物性食品中GABA的含量較低，能夠產生GABA的腸道菌群，特別是乳酸菌和雙歧桿菌等食品級的有益菌越來越受到重視。

2 腸道菌群對GABA的合成作用

細菌GABA由gadB和gadC基因編碼的GAD催化合成，細胞通過特異的轉運體攝入谷氨酸，在細胞內經過不可逆的L-谷氨酸脫羧和消耗一分子胞內質子生成GABA，再由GABA反向轉運體排出胞外[21]。人類大部分腸道菌群中都含有編碼GAD的基因[19]，而乳酸菌中的植物乳酸桿菌(L.plantarum)、副干酪乳桿菌(L.paracasei)和乳酸乳球菌均有產生谷氨酸的能力[22]。研究發現，植物乳酸桿菌(L.plantarum)、青春型雙歧桿菌(B.adolescentis)、嬰兒雙歧桿菌(B.angulatum)均被報道能夠產生GABA，并且這些細菌中都含有編碼GAD的gadB和gadC基因[17]。同時，細菌生成GABA消耗的胞內質子使得細菌pH值升高，這讓胃腸道內形成了一個良好的微酸性環境，可保護細菌在胃酸等強酸性環境中存活并在小腸中定植下來。

宿主通過攝入益生菌或腸道微生物直接利用飲食中的谷氨酸鈉(monosodium glutamate，MSG)生成GABA。BARRETT等[20]研究發現，腸原性短乳桿菌(L.brevis) DPC6108菌株能將90%的MSG轉化為GABA，而齒雙歧桿菌(B.dentium)對MSG也具有較高的轉化能力[17]。

3 源于腸道菌群GABA對機體的調節

腸道菌群產生的GABA，可以通過作用于神經系統、循環系統、腸道菌群以及腸道免疫等不同途徑(圖1)，發揮對機體的多方面調節。

3.1 神經通路途徑胃腸道和中樞神經系統之間可通過腸神經系統(enteric nervous system，ENS)相互影響。ENS由2～6億個神經元組成，被稱為“第二大腦”。研究發現，在ENS的肌間神經叢和黏膜下神經叢中存在GABA能信號系統，包括GABAA、GABAB受體和GABA轉運體(γ-aminobutyric acid transporter，GAT)[23-24]。ENS中約有20%的神經元為初級傳入神經元，微生物產生的GABA能信號可能通過這些傳入神經元作用于脊神經和迷走神經調節中樞活動，緩解精神焦慮、抑郁和內臟疼痛等疾病。

圖1 源于腸道菌群的GABA對機體的調節途徑

3.1.1脊神經 背根神經節(dorsal root ganglia，DRG)是感覺傳導的初級神經元，能將來自身體感受器的神經沖動傳送到脊髓，作為痛覺傳入的第一站，是神經病理性疼痛治療的重要靶區。給內臟疼痛的大鼠添加B.dentium后發現[19]，B.dentium在結腸內生成了大量的GABA，GABA抑制了腸道感覺神經元的興奮性，使背根神經節敏感性降低，痛覺傳輸受到了抑制。腸道菌群產生的GABA能夠與腸道痛覺感受器的傳入神經末梢上的GABAA受體結合，去極化后產生抑制作用，使DRG神經元投射到特殊傷害感受型神經元(nociceptive specific，NS)的神經遞質減少[25]。另外，GABA還可直接通過激活DRG神經元上的代謝型GABAB受體而直接發揮抑制作用[19]。B.dentium和其他產生GABA的腸道微生物未來可能成為治療復發性腹痛和功能性腸病的潛在方法。

3.1.2迷走神經 迷走神經是腦神經中行程最長，分布范圍最廣的1對混合神經，其內臟感覺神經纖維主要支配胸腹腔臟器的感覺沖動，部分神經末梢直接或間接支配著胃腸道壁的感覺信號傳入，感覺信號經迷走神經傳入腦干的孤束核(nucleus tractus solitarius，NTS)。研究發現，在小鼠胃腸道迷走神經傳入神經元-結狀神經節(nodose ganglion，NG)部位，含有編碼GABA受體的基因，刺激迷走神經外周端可使大腦皮質GABAA受體和GAD陽性細胞數量增加，迷走神經感知腸道中的GABA信號并將信號傳遞至大腦[26-29]。鼠李糖乳桿菌(JB-1)也是一種能夠合成GABA的腸道細菌[30]。研究發現，飼喂JB-1后，小鼠大腦皮層GABAB受體亞基B1mRNA、前額葉皮層和杏仁核GABAA受體亞基α2mRNA表達量增加，壓力引起的皮質酮含量升高被抑制，焦慮抑郁癥行為減少，而在迷走神經切斷的小鼠模型上并沒有發現相關的神經遞質和行為學改變[13]。由此推測，JB-1通過產生的GABA激活了胃腸道壁上的感覺信號傳入神經元，然后經迷走神經通路直接調控了中樞神經系統。但是，腸道菌群產生的GABA與迷走神經之間相互作用的分子機制并不清楚，還需要做進一步的研究。

3.2 循環系統途徑循環系統是由心血管系統和淋巴系統組成的分布于全身的連續封閉管道系統。腸道中消化產生的營養物質以及腸道菌群產生的小分子物質、神經遞質、免疫信號分子和激素等通過腸道屏障進入血液循環，在外周組織器官或通過血腦屏障作用于中樞神經系統發揮作用。一直以來，大多數的研究表明GABA不能通過血腦屏障(blood brain barrier，BBB)，但有少量的研究提出了不同的觀點。通過特殊轉運分子的主動攝取或擴散作用，GABA能通過BBB進入腦內[31]。當采用雙側原位腦灌注技術時發現,新生大鼠對14C-GABA具有較高的轉運和擴散能力[32]。更有研究證明，BBB中存在GABA轉運體GAT-2和BGT-1，并參與了GABA的轉運[33]。這些發現為探索外源性GABA對大腦的調控提供了一條新的路徑。到目前為止，腸道菌群產生的GABA是否通過BBB對中樞神經系統產生作用還尚未見相關報道。腸道菌群產生GABA進入循環系統發揮著多種生理作用。

3.2.1調節血液代謝 研究發現，大鼠十二指腸、回腸和結腸的腸神經膠質細胞和肌腸神經元中分別含有GAT-2、GAT-3轉運體蛋白[34]。外源攝入GABA后可發現血液中GABA含量顯著上升[35]，提示外源性GABA能夠透過腸道屏障進入血液循環。與無菌小鼠相比，常規飼養小鼠血漿中多巴胺和GABA水平升高[36]。豐富的腸道菌群能夠產生更多的GABA進入血液循環，調節機體的抗氧化和胰島素水平。飲水中添加產GABA的植物乳桿菌，提高了小鼠血清總抗氧化(total antioxygentic capacity，T-AOC)和總超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)的活性，降低丙二醛(malonic dialdehyde，MDA)水平[37]。相關的機制可能與GABAB受體調控絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶/糖原合成激酶-3β/核因子相關因子2(protein kinase B，Akt/ glycogen synthase kinase-3beta，GSK-3β/nuclear factor-erythroid 2-related factor，Nrf2)信號通路有關。通過Akt/GSK-3β/Nrf2信號通路，GABAB受體上調了Nrf2表達[38]。Nrf2蛋白作為調控細胞氧化應激反應的重要轉錄因子，提高了相關抗氧化酶基因的轉錄，如SOD和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)[39]。

另外，通過糞便菌群移植技術，把較瘦的人的糞便菌群移植給肥胖的人后發現，肥胖者血漿中的代謝產物GABA水平升高，胰島素的敏感性增加[40]。GABA能夠誘導脾臟CD4+T細胞分化為Foxp3+調節性T細胞(Foxp3+regulatory T cells，Foxp3+Treg)，Foxp3+Treg細胞是炎癥反應的負調節因子，可抑制肥胖的低度炎性反應狀態和胰島素抵抗，提高胰島素敏感性，改善機體肥胖狀態。同時，給小鼠灌喂多形擬桿菌后發現，多形擬桿菌能夠促進谷氨酸鹽代謝為GABA，降低血清谷氨酸鹽的濃度，促進脂肪細胞分解和脂肪酸氧化，從而降低脂肪堆積減輕體質量[18]。鑒于使用GABA對人體的不良反應較小，臨床上使用產GABA的腸道微生物或糞便微生物群移植，對預防肥胖和治療相關代謝疾病具有重要價值。

3.2.2調節HPA軸 下丘腦-垂體-腎上腺軸(the hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA axis)是神經內分泌系統的重要組成部分，參與應激反應。研究發現，正常小鼠血漿GABA的水平高于無菌小鼠[36]，給無菌小鼠移植正常小鼠的糞便菌群后，壓力引起的血漿皮質酮和促腎上腺皮質激素(adrenocorticotropin hormone，ACTH)含量升高的現象被抑制[41]。腸道菌群能夠緩解應激狀態下HPA軸反應過激的能力可能與產生的GABA有關。下丘腦室旁核作為HPA軸的直接控制部位，存在著大量的GABA能神經元，下丘腦背內測核表達GAD65基因[42]，而促腎上腺皮質激素釋放激素(corticotropin-releasing hormone，CRH)神經元表達GABAA受體亞基[43]。在熱應激狀態下，飼料中添加GABA能夠顯著降低奶牛血清中CRH、ACTH水平[44]，降低熱應激帶來的損害。腸道菌群產生的GABA進入血液可能調節了與HPA軸相關的激素水平，從而降低了HPA軸的應激狀態。

3.3 腸道菌群途徑人類腸道菌群中具有多個屬的細菌能夠產生和消耗GABA。腸道菌群產生的GABA作為生長因子，可以促進腸道菌群中其他細菌的生長。利用基因組學技術分析發現[5]，脆弱擬桿菌產生的GABA能夠為瘤胃球菌科革蘭陽性細菌(KLE1738)提供生長所需的能量和碳源。在飲水中添加產GABA的植物乳酸桿菌，能夠顯著地提高腸道內乳酸菌、雙歧桿菌等有益菌的數量，降低大腸桿菌、腸球菌等致病菌的數量，增加腸道菌群的種類[37,45]。目前，腸道菌群中仍有23%～65%的微生物未被培養，GABA對這些微生物的生物學功能以及由此對機體產生的影響還有待進一步研究。

3.4 腸道免疫途徑腸道黏膜被認為是防御外來病原體入侵的第一道防線，它能表達多種免疫細胞因子，包括腸道免疫系統產生的炎性細胞因子、潘氏(Paneth)細胞產生的α防御素、漿細胞分泌的免疫球蛋白A(lgA)、杯狀細胞產生的黏蛋白等。腸道菌群與腸黏膜免疫系統的發育，免疫穩態和炎癥反應密切相關，兩者相互作用保護機體免受病原微生物的侵害[46-47]。研究表明，免疫細胞具有合成和分解代謝GABA的作用，抗原遞呈細胞(antigen presenting cells，APCs)可以表達功能性GABA受體亞基[48]。在胃腸道中，GABA存在于腸神經元和內分泌細胞中，作為神經遞質和內分泌介質影響胃腸道功能。飲食中的GABA可通過調節腸道免疫系統發揮作用，如抑制炎性因子IL-1和IL-18基因表達，促進抗炎細胞因子IFN-γ、IL-4和IL-10等基因表達[49]。產生GABA的脆弱擬桿菌可借助lgA黏附到腸道上皮細胞上，保護小鼠免受腸炎和多發性硬化癥的影響[50]。REN等[51]研究發現，仔豬大腸桿菌感染時，乳酸乳球菌產生的GABA能通過激活雷帕霉素靶蛋白復合物1-核糖體蛋白S6激酶1(mTORC1-S6K1)信號通路增加空腸中白細胞介素IL-17水平。IL-17能夠促進局部趨化因子的產生，將單核細胞和中性粒細胞聚集到炎癥部位，以對抗外來病原體的入侵[52]。

4 展望

腸道菌群產生的GABA在焦慮抑郁、腸道功能紊亂和代謝異常等疾病中具有不可忽視的作用。目前，對腸道菌群產生的代謝物質的研究主要集中在血清素、短鏈脂肪酸及其主要代謝產物上，但對GABA的研究卻較少。未來的研究需要在弄清更多產生GABA的腸道菌群種類的基礎上，揭示源于腸道菌群GABA在體內的生理功能和作用機制，進一步深入開展基于GABA在抗抑郁、促免疫，抗應激、調食欲等方面的開發和利用，對于促進人們精神健康，減少畜牧業中抗生素的使用，具有重要的現實意義。