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(xué)附屬東方醫(yī)院內(nèi)分泌科，上海 200120)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)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(fā)病原因及發(fā)病機制尚未明確。近年來，研究發(fā)現(xiàn)，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(diào)節(jié)。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(lián)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(diào)節(jié)葡萄糖代謝[1]。探究BA及其代謝調(diào)節(jié)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(cè)鏈氧化步驟合成。膽固醇向BA的轉(zhuǎn)化涉及17種不同的酶，位于胞液、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體和過氧化物酶體中，這些酶催化類固醇環(huán)的修飾和側(cè)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(jīng)典途徑和替代途徑。經(jīng)典途徑占BA合成的大部分，該途徑類固醇環(huán)修飾先于側(cè)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(chǎn)生膽酸(cholic acid, CA)、鵝去氧膽酸(chenodeoxycholic acid, CDCA，在人中占優(yōu)勢)和鼠膽酸(muricholic acid, MCA，在嚙齒動物中占優(yōu)勢)。CYP7A1是經(jīng)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(cè)鏈切割先于類固醇環(huán)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(chǎn)生初級BA，隨后與?；撬峄蚋拾彼峤Y(jié)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(zhuǎn)運經(jīng)門靜脈重吸收回到肝臟，繼而進入下一次循環(huán)，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(wěn)定。

BA、膽固醇、甲狀腺激素、糖皮質(zhì)激素、胰島素和營養(yǎng)素調(diào)節(jié)CYP7A1活性和BA合成速率。BA結(jié)合樹脂如消膽胺阻斷瘺引流膽汁對大鼠BA的腸肝循環(huán)或CYP7A1酶活性和BA合成具有強烈的刺激作用，而用BA喂養(yǎng)大鼠強烈地降低了CYP7A1酶活性和BA合成[3]。這些結(jié)果意味著BA合成受負反饋調(diào)節(jié)，并且通過腸肝循環(huán)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(yīng))調(diào)節(jié)CYP7A1的特異活性。研究發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)CYP7A1基因和BA合成，導(dǎo)致BA庫增大，循環(huán)BA升高；胰島素抵抗可誘導(dǎo)人肝細胞中的類固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c(steroid regulatory element-binding protein-1c, SREBP-1c)表達，抑制CYP7A1基因轉(zhuǎn)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(tài)期間增加，表明BA合成在餐后被誘導(dǎo)，在禁食期間被抑制，證明營養(yǎng)素在禁食和再喂食周期中對BA合成的調(diào)節(jié)起著關(guān)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(diào)節(jié)因子[6]，表明循環(huán)BA譜的改變與胰島素抵抗和T2DM的發(fā)病機制有關(guān)。不同的BA亞型表現(xiàn)出不同程度的疏水性，這取決于諸如電離狀態(tài)、羥基數(shù)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(huán)BA池的疏水性增加有關(guān)。與此相一致的是，親水性BA亞型，如?；撬崦撗跄懰?tauroursodeoxycholic acid, TUDCA)，在嚙齒類動物模型和T2DM患者中已被證明可以預(yù)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，這些與葡萄糖調(diào)節(jié)受損有關(guān)[10-11]。CYP8B1基因敲除可降低小鼠BA疏水性，并預(yù)防包括肥胖和T2DM在內(nèi)的多種代謝疾病[12-13]。這些結(jié)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(zhuǎn)導(dǎo)對糖代謝的影響

BA是脂肪、脂溶性維生素、固醇類物質(zhì)在腸道內(nèi)吸收的生理調(diào)節(jié)劑，同時也是通過激活FXR和TGR5來調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)有望為T2DM的治療提供新思路。

3.1 BA通過FXR對糖代謝的調(diào)節(jié)

FXR作為胞核受體家族的一員發(fā)揮著調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的作用，是BA天然受體中發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致肝臟膽固醇向BA的轉(zhuǎn)化減弱。FXR對CYP7A1依賴的抑制通過兩種機制介導(dǎo)： 在肝臟中，F(xiàn)XR誘導(dǎo)小異源二聚體配體(small heterodimer partner, SHP)的表達，進而抑制CYP7A1。在腸道中，F(xiàn)XR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(zhuǎn)導(dǎo)通過抑制肝臟糖異生相關(guān)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(diào)節(jié)餐后葡萄糖水平，同時誘導(dǎo)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(zhuǎn)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(wěn)態(tài)中關(guān)鍵作用。BA-FXR介導(dǎo)的腸FGF15/19與肝FGFR4/βKlotho結(jié)合，從而促進肝糖原合成和降低血糖。然而近幾年研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR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(nèi)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(qū)動肥胖相關(guān)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(jīng)酰胺水平而導(dǎo)致的能量消耗增加[18-20]。與此相反的是，F(xiàn)ang等[21]發(fā)現(xiàn)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(zhì)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(jīng)非帕拉明處理的小鼠，除BA池變小外，循環(huán)BA的相對組成發(fā)生顯著變化，BA合成從CA轉(zhuǎn)向CDCA衍生物，最顯著的是LCA，而LCA是TGR5最有效的內(nèi)源性配體。此外，口服非帕拉明小鼠的棕色脂肪組織可誘導(dǎo)TGR5下游靶點Dio2，該通路可導(dǎo)致能量消耗增加。表明除FXR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)外，F(xiàn)XR激動劑可部分調(diào)節(jié)TGR5信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。但大多數(shù)研究表明，腸FXR的激活對血糖反應(yīng)和能量消耗具有不利影響，表明抑制腸FXR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)具有治療高血糖癥的潛力。

3.2 BA通過TGR5對糖代謝的調(diào)節(jié)

TGR5,也稱M-BAR、GPBAR或者GPR131，由330個氨基酸組成,包含7個跨膜結(jié)構(gòu)域,屬于G蛋白偶聯(lián)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(guān)的腸道、胰腺、骨骼肌組織等多個器官中表達。研究發(fā)現(xiàn)TGR5基因的敲除可刺激肝臟BA經(jīng)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(guān)鍵調(diào)節(jié)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(dǎo)胰島素抵抗的發(fā)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(diào)節(jié)胰島素分泌。該信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)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(guān)閉，導(dǎo)致GLP-1分泌和葡萄糖穩(wěn)態(tài)的改善[23]。FXR可對腸道L細胞GLP-1產(chǎn)生負調(diào)節(jié)作用。這些結(jié)果表明，在腸L細胞中BA激活TGR5和FXR可以誘導(dǎo)對GLP-1的分泌產(chǎn)生相反作用。L細胞中的TGR5激活可能在食物攝取后迅速發(fā)生，而FXR因需要轉(zhuǎn)錄激活導(dǎo)致反應(yīng)延遲，這種差異導(dǎo)致BA-TGR5信號通路對GLP-1分泌的積極作用與FXR介導(dǎo)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(chuàng)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(guān)系的深入研究，發(fā)現(xiàn)腸道微生物不僅在BA的合成、生物轉(zhuǎn)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(yīng)對BA進行轉(zhuǎn)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(gòu)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(chǎn)生游離BA。游離BA溶解腸內(nèi)脂質(zhì)，其再吸收率較低，導(dǎo)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(yīng)[25]。反過來，BA可通過破壞細菌細胞膜，改變細胞內(nèi)大分子結(jié)構(gòu)表現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)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?；撬峤Y(jié)合BA(C24O4)的合成增加，非牛磺酸結(jié)合BA(αMCA和βMCA)及甘氨酸結(jié)合BA減少，同時高脂肪飲食(highfatdiet, HFD)誘導(dǎo)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(diào)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(diào)相關(guān)，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(shù)后，肥胖人群腸道微生物群改變?yōu)榕c瘦人群更為相似的菌群，厚壁菌門數(shù)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(guān)的生態(tài)失調(diào)[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(gòu)成、BA池大小及組成比例等來共同調(diào)節(jié)宿主代謝，但是腸道菌群種類多，數(shù)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(guān)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(shù)調(diào)節(jié)糖代謝

現(xiàn)用于治療肥胖的減重手術(shù)，如Roux-en-Y胃轉(zhuǎn)流術(shù)(roux-en-Y gastric bypass, RYGB)和袖狀胃切除術(shù)(sleeve gastrectomy, SG)，是目前最流行的減重及治療T2DM術(shù)式，被證實可顯著減輕體質(zhì)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(guān)并發(fā)癥的發(fā)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(shù)緩解的過程中起到重要作用。研究發(fā)現(xiàn)RYGB術(shù)后空腹和餐后循環(huán)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(fā)現(xiàn)BA與其他幾種代謝活性肽呈正相關(guān)，包括脂聯(lián)素、肽YY、特別是GLP-1[34]。而SG術(shù)后的數(shù)據(jù)不太一致，循環(huán)BA水平升高、短暫降低或保持不變。因此，術(shù)后BA的顯著增加可能取決于手術(shù)的類型。Ryan等[35]利用全身FXR敲除小鼠模型進行實驗，結(jié)果顯示FXR有助于SG后體質(zhì)量減輕和葡萄糖調(diào)節(jié)改善。有研究顯示TGR5有助于改善小鼠SG后的葡萄糖調(diào)節(jié)，這種現(xiàn)象與肝臟CYP8B1的表達通過TGR5依賴性機制下調(diào)導(dǎo)致BA池疏水性降低相關(guān)，而對肝臟CYP7A1表達沒有影響[36]。這些研究結(jié)果的差異強調(diào)了減重術(shù)后FXR-TGR5-BA相互作用的復(fù)雜性，同時也是減重手術(shù)改善糖代謝等疾病的關(guān)鍵因素。

6 展 望

綜上所述，BA對T2DM等代謝疾病的影響高度復(fù)雜，其作為一種有效的內(nèi)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(diào)節(jié)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(yīng)該有較好的前景。