源于腸道菌群的γ-氨基丁酸對(duì)機(jī)體的調(diào)節(jié)機(jī)制

李佳佳，楊 彪，陳明星，吳建云

(西南大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，重慶 400715)

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，由谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase，GAD)催化L-谷氨酸發(fā)生脫羧反應(yīng)生成的一種非蛋白質(zhì)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(dá)[1-2]。近年來的研究表明，腸道菌群在調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)生理[3]、焦慮[4]、抑郁[5-6]、內(nèi)臟疼痛[7]和社會(huì)行為認(rèn)知[8-10]等多方面發(fā)揮著重要作用。據(jù)報(bào)道，腸道菌群尤其是乳酸菌和雙歧桿菌可產(chǎn)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(guān)。腸道菌群產(chǎn)生的GABA通過調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)、血液代謝和黏膜免疫等作用于機(jī)體?，F(xiàn)主要就來源于腸道菌群的GABA對(duì)機(jī)體的調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行綜述，為GABA、腸道菌群的基礎(chǔ)研究以及臨床應(yīng)用提供參考依據(jù)。

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(xì)菌、病毒、噬菌體、寄生蟲和真菌等。其中，細(xì)菌的種類高達(dá)300～1 000種，以厚壁菌門和擬桿菌門細(xì)菌占較大比例，放線菌門、變形菌門和疣微菌門細(xì)菌次之[16]，這些細(xì)菌在很大程度上影響著整個(gè)菌群的功能，各菌之間相互制約，相互依存，決定著菌群對(duì)宿主的生理、病理作用。研究發(fā)現(xiàn)，有多種能夠合成GABA的腸道細(xì)菌，其中乳酸菌和雙歧桿菌是產(chǎn)生GABA的主要腸道細(xì)菌[17-20]。由于天然動(dòng)植物性食品中GABA的含量較低，能夠產(chǎn)生GABA的腸道菌群，特別是乳酸菌和雙歧桿菌等食品級(jí)的有益菌越來越受到重視。

2 腸道菌群對(duì)GABA的合成作用

細(xì)菌GABA由gadB和gadC基因編碼的GAD催化合成，細(xì)胞通過特異的轉(zhuǎn)運(yùn)體攝入谷氨酸，在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過不可逆的L-谷氨酸脫羧和消耗一分子胞內(nèi)質(zhì)子生成GABA，再由GABA反向轉(zhuǎn)運(yùn)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(chǎn)生谷氨酸的能力[22]。研究發(fā)現(xiàn)，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(bào)道能夠產(chǎn)生GABA，并且這些細(xì)菌中都含有編碼GAD的gadB和gadC基因[17]。同時(shí)，細(xì)菌生成GABA消耗的胞內(nèi)質(zhì)子使得細(xì)菌pH值升高，這讓胃腸道內(nèi)形成了一個(gè)良好的微酸性環(huán)境，可保護(hù)細(xì)菌在胃酸等強(qiáng)酸性環(huán)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(fā)現(xiàn)，腸原性短乳桿菌(L.brevis) DPC6108菌株能將90%的MSG轉(zhuǎn)化為GABA，而齒雙歧桿菌(B.dentium)對(duì)MSG也具有較高的轉(zhuǎn)化能力[17]。

3 源于腸道菌群GABA對(duì)機(jī)體的調(diào)節(jié)

腸道菌群產(chǎn)生的GABA，可以通過作用于神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、腸道菌群以及腸道免疫等不同途徑(圖1)，發(fā)揮對(duì)機(jī)體的多方面調(diào)節(jié)。

3.1 神經(jīng)通路途徑胃腸道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間可通過腸神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system，ENS)相互影響。ENS由2～6億個(gè)神經(jīng)元組成，被稱為“第二大腦”。研究發(fā)現(xiàn)，在ENS的肌間神經(jīng)叢和黏膜下神經(jīng)叢中存在GABA能信號(hào)系統(tǒng)，包括GABAA、GABAB受體和GABA轉(zhuǎn)運(yùn)體(γ-aminobutyric acid transporter，GAT)[23-24]。ENS中約有20%的神經(jīng)元為初級(jí)傳入神經(jīng)元，微生物產(chǎn)生的GABA能信號(hào)可能通過這些傳入神經(jīng)元作用于脊神經(jīng)和迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)中樞活動(dòng)，緩解精神焦慮、抑郁和內(nèi)臟疼痛等疾病。

圖1 源于腸道菌群的GABA對(duì)機(jī)體的調(diào)節(jié)途徑

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

3.1.2迷走神經(jīng) 迷走神經(jīng)是腦神經(jīng)中行程最長，分布范圍最廣的1對(duì)混合神經(jīng)，其內(nèi)臟感覺神經(jīng)纖維主要支配胸腹腔臟器的感覺沖動(dòng)，部分神經(jīng)末梢直接或間接支配著胃腸道壁的感覺信號(hào)傳入，感覺信號(hào)經(jīng)迷走神經(jīng)傳入腦干的孤束核(nucleus tractus solitarius，NTS)。研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠胃腸道迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)元-結(jié)狀神經(jīng)節(jié)(nodose ganglion，NG)部位，含有編碼GABA受體的基因，刺激迷走神經(jīng)外周端可使大腦皮質(zhì)GABAA受體和GAD陽性細(xì)胞數(shù)量增加，迷走神經(jīng)感知腸道中的GABA信號(hào)并將信號(hào)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(xì)菌[30]。研究發(fā)現(xiàn)，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(dá)量增加，壓力引起的皮質(zhì)酮含量升高被抑制，焦慮抑郁癥行為減少，而在迷走神經(jīng)切斷的小鼠模型上并沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的神經(jīng)遞質(zhì)和行為學(xué)改變[13]。由此推測(cè)，JB-1通過產(chǎn)生的GABA激活了胃腸道壁上的感覺信號(hào)傳入神經(jīng)元，然后經(jīng)迷走神經(jīng)通路直接調(diào)控了中樞神經(jīng)系統(tǒng)。但是，腸道菌群產(chǎn)生的GABA與迷走神經(jīng)之間相互作用的分子機(jī)制并不清楚，還需要做進(jìn)一步的研究。

3.2 循環(huán)系統(tǒng)途徑循環(huán)系統(tǒng)是由心血管系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)組成的分布于全身的連續(xù)封閉管道系統(tǒng)。腸道中消化產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)以及腸道菌群產(chǎn)生的小分子物質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)、免疫信號(hào)分子和激素等通過腸道屏障進(jìn)入血液循環(huán)，在外周組織器官或通過血腦屏障作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮作用。一直以來，大多數(shù)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(diǎn)。通過特殊轉(zhuǎn)運(yùn)分子的主動(dòng)攝取或擴(kuò)散作用，GABA能通過BBB進(jìn)入腦內(nèi)[31]。當(dāng)采用雙側(cè)原位腦灌注技術(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn),新生大鼠對(duì)14C-GABA具有較高的轉(zhuǎn)運(yùn)和擴(kuò)散能力[32]。更有研究證明，BBB中存在GABA轉(zhuǎn)運(yùn)體GAT-2和BGT-1，并參與了GABA的轉(zhuǎn)運(yùn)[33]。這些發(fā)現(xiàn)為探索外源性GABA對(duì)大腦的調(diào)控提供了一條新的路徑。到目前為止，腸道菌群產(chǎn)生的GABA是否通過BBB對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生作用還尚未見相關(guān)報(bào)道。腸道菌群產(chǎn)生GABA進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮著多種生理作用。

3.2.1調(diào)節(jié)血液代謝 研究發(fā)現(xiàn)，大鼠十二指腸、回腸和結(jié)腸的腸神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和肌腸神經(jīng)元中分別含有GAT-2、GAT-3轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白[34]。外源攝入GABA后可發(fā)現(xiàn)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(jìn)入血液循環(huán)。與無菌小鼠相比，常規(guī)飼養(yǎng)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(chǎn)生更多的GABA進(jìn)入血液循環(huán)，調(diào)節(jié)機(jī)體的抗氧化和胰島素水平。飲水中添加產(chǎn)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(guān)的機(jī)制可能與GABAB受體調(diào)控絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶/糖原合成激酶-3β/核因子相關(guān)因子2(protein kinase B，Akt/ glycogen synthase kinase-3beta，GSK-3β/nuclear factor-erythroid 2-related factor，Nrf2)信號(hào)通路有關(guān)。通過Akt/GSK-3β/Nrf2信號(hào)通路，GABAB受體上調(diào)了Nrf2表達(dá)[38]。Nrf2蛋白作為調(diào)控細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子，提高了相關(guān)抗氧化酶基因的轉(zhuǎn)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(shù)，把較瘦的人的糞便菌群移植給肥胖的人后發(fā)現(xiàn)，肥胖者血漿中的代謝產(chǎn)物GABA水平升高，胰島素的敏感性增加[40]。GABA能夠誘導(dǎo)脾臟CD4+T細(xì)胞分化為Foxp3+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Foxp3+regulatory T cells，F(xiàn)oxp3+Treg)，F(xiàn)oxp3+Treg細(xì)胞是炎癥反應(yīng)的負(fù)調(diào)節(jié)因子，可抑制肥胖的低度炎性反應(yīng)狀態(tài)和胰島素抵抗，提高胰島素敏感性，改善機(jī)體肥胖狀態(tài)。同時(shí)，給小鼠灌喂多形擬桿菌后發(fā)現(xiàn)，多形擬桿菌能夠促進(jìn)谷氨酸鹽代謝為GABA，降低血清谷氨酸鹽的濃度，促進(jìn)脂肪細(xì)胞分解和脂肪酸氧化，從而降低脂肪堆積減輕體質(zhì)量[18]。鑒于使用GABA對(duì)人體的不良反應(yīng)較小，臨床上使用產(chǎn)GABA的腸道微生物或糞便微生物群移植，對(duì)預(yù)防肥胖和治療相關(guān)代謝疾病具有重要價(jià)值。

3.2.2調(diào)節(jié)HPA軸 下丘腦-垂體-腎上腺軸(the hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA axis)是神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的重要組成部分，參與應(yīng)激反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)酮和促腎上腺皮質(zhì)激素(adrenocorticotropin hormone，ACTH)含量升高的現(xiàn)象被抑制[41]。腸道菌群能夠緩解應(yīng)激狀態(tài)下HPA軸反應(yīng)過激的能力可能與產(chǎn)生的GABA有關(guān)。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(jīng)元，下丘腦背內(nèi)測(cè)核表達(dá)GAD65基因[42]，而促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(corticotropin-releasing hormone，CRH)神經(jīng)元表達(dá)GABAA受體亞基[43]。在熱應(yīng)激狀態(tài)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(yīng)激帶來的損害。腸道菌群產(chǎn)生的GABA進(jìn)入血液可能調(diào)節(jié)了與HPA軸相關(guān)的激素水平，從而降低了HPA軸的應(yīng)激狀態(tài)。

3.3 腸道菌群途徑人類腸道菌群中具有多個(gè)屬的細(xì)菌能夠產(chǎn)生和消耗GABA。腸道菌群產(chǎn)生的GABA作為生長因子，可以促進(jìn)腸道菌群中其他細(xì)菌的生長。利用基因組學(xué)技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)[5]，脆弱擬桿菌產(chǎn)生的GABA能夠?yàn)榱鑫盖蚓聘锾m陽性細(xì)菌(KLE1738)提供生長所需的能量和碳源。在飲水中添加產(chǎn)GABA的植物乳酸桿菌，能夠顯著地提高腸道內(nèi)乳酸菌、雙歧桿菌等有益菌的數(shù)量，降低大腸桿菌、腸球菌等致病菌的數(shù)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(yǎng)，GABA對(duì)這些微生物的生物學(xué)功能以及由此對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的影響還有待進(jìn)一步研究。

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

4 展望

腸道菌群產(chǎn)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(duì)腸道菌群產(chǎn)生的代謝物質(zhì)的研究主要集中在血清素、短鏈脂肪酸及其主要代謝產(chǎn)物上，但對(duì)GABA的研究卻較少。未來的研究需要在弄清更多產(chǎn)生GABA的腸道菌群種類的基礎(chǔ)上，揭示源于腸道菌群GABA在體內(nèi)的生理功能和作用機(jī)制，進(jìn)一步深入開展基于GABA在抗抑郁、促免疫，抗應(yīng)激、調(diào)食欲等方面的開發(fā)和利用，對(duì)于促進(jìn)人們精神健康，減少畜牧業(yè)中抗生素的使用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。