丁酸對脂肪代謝的調(diào)節(jié)及其作用機(jī)制

徐 進(jìn) 王 劼 舒鼎銘 王旭溟

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動(dòng)物科學(xué)研究所，廣東省動(dòng)物育種與營養(yǎng)公共實(shí)驗(yàn)室，廣東省畜禽育種與營養(yǎng)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，畜禽育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

人群中肥胖的流行及危害性已引起全世界密切關(guān)注，而動(dòng)物乳脂合成、腹脂沉積等生產(chǎn)表現(xiàn)也一直備受畜禽行業(yè)研究者關(guān)注[1]。近年來，隨高通量測序技術(shù)發(fā)展，腸道微生物結(jié)構(gòu)與功能不斷被揭秘，大量研究證明微生物與宿主脂肪代謝存在密切聯(lián)系，尤其是微生物主要發(fā)酵產(chǎn)物短鏈脂肪酸(SCFAs)在其中扮演著重要的角色[2]。丁酸作為SCFAs的一種，能夠預(yù)防和治療動(dòng)物肥胖的發(fā)生。Fang等[3]通過飼喂小鼠丁酸鈉可調(diào)節(jié)腸道菌群的組成并改善高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖；趙利芹[4]在飼糧中添加丁酸鈉能夠減少肉雞脂肪沉積；在肥胖男性結(jié)腸中灌注丁酸鈉后，靜息能量消耗和空腹脂肪氧化都得到增加[5]。然而，一些研究發(fā)現(xiàn)，丁酸有利于促進(jìn)人和動(dòng)物體內(nèi)的脂肪合成，而且肥胖人個(gè)體糞便中的丁酸含量明顯高于正常個(gè)體[6-7]。丁酸一旦被機(jī)體吸收可以滿足結(jié)腸大部分所需能量，部分丁酸經(jīng)門靜脈進(jìn)入肝臟作為脂肪生成的底物，也可到達(dá)乳腺組織合成乳脂[8]，而且在體外可誘導(dǎo)前脂肪細(xì)胞分化成脂肪細(xì)胞[9]。為更進(jìn)一步探究丁酸與脂肪代謝之間關(guān)系，本文對丁酸調(diào)節(jié)脂肪代謝的作用機(jī)制進(jìn)行綜述，為微生物及其產(chǎn)物丁酸調(diào)控脂肪代謝提供指導(dǎo)。

1 丁酸以能量底物形式參與脂肪代謝

丁酸可為生物體提供能量滿足基礎(chǔ)代謝要求。丁酸作為腸道微生物利用膳食纖維或抗性淀粉而產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，可被結(jié)腸細(xì)胞吸收并進(jìn)行氧化提供能量，1分子丁酸經(jīng)完全氧化分解生成二氧化碳和水可產(chǎn)生27分子ATP[10-11]。肥胖人個(gè)體糞便中SCFAs含量(包括丁酸)往往高于正常個(gè)體，肥胖個(gè)體似乎更加需要額外的丁酸來滿足自身能量需求[7,12-13]。體內(nèi)丁酸含量差異往往與腸道微生物區(qū)系有關(guān)。在體內(nèi)直腸透析袋試驗(yàn)中，研究發(fā)現(xiàn)，肥胖人個(gè)體糞便高水平的SCFAs與結(jié)腸微生物區(qū)系的差異有關(guān)，并不是由于SCFAs吸收或飲食的差異造成的[14]；在體外微生物培養(yǎng)中，研究發(fā)現(xiàn)，用不同能量含量的培養(yǎng)基培養(yǎng)不同個(gè)體的糞便微生物群時(shí)，來自肥胖個(gè)體微生物產(chǎn)生的丁酸都顯著高于正常個(gè)體[15]。肥胖個(gè)體內(nèi)腸道微生物似乎能更有效率地利用膳食纖維來產(chǎn)生丁酸，從而獲取更多的能量。

丁酸也會以底物形式參與脂肪合成。在單胃動(dòng)物體內(nèi)，大部分丁酸可被結(jié)腸吸收利用，但仍有一部分經(jīng)門靜脈到達(dá)肝臟、乳腺組織或其他部位，通過酮體生成及乳脂合成等過程，參與脂肪合成代謝。而在反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)，丁酸主要在瘤胃和網(wǎng)胃壁處吸收，大部分轉(zhuǎn)化為胴體如β-羥丁酸，之后可被脂肪組織或者乳腺吸收進(jìn)行脂肪酸合成[16]。Maxin等[17]在奶牛瘤胃中每日輸入800 g丁酸可顯著提高乳脂濃度和產(chǎn)奶量?？讘c洋[18]在細(xì)胞培養(yǎng)液中添加0.75 mmol/L丁酸鈉可顯著提高牛乳腺上皮細(xì)胞脂肪酸合酶(FAS)和乙酰輔酶A羧化酶(ACC)的mRNA表達(dá)，促進(jìn)乳脂肪生物合成。

2 丁酸以信號分子形式參與脂肪代謝的調(diào)控

2.1 丁酸作為GPCRs的激動(dòng)劑

丁酸為腸道(主要是結(jié)腸)細(xì)胞提供能量，也可作為底物參與脂肪合成，同時(shí)又以信號分子形式，被細(xì)胞表面GPCRs識別，激發(fā)下游通路，進(jìn)而調(diào)控脂肪代謝[19]。

GPCRs是一類具有7個(gè)螺旋跨膜結(jié)構(gòu)的膜受體，能激活G蛋白。G蛋白含有α、β和γ 3種亞基，激活的下游通路取決于α亞基的種類，如Gαs、Gαi/o、Gαq/11和Gα12/13[20]。Gαs激活可提高腺苷酸環(huán)化酶(AC)的活性，促進(jìn)細(xì)胞的環(huán)磷酸腺苷(cAMP)水平升高，激活識別丁酸的GPCRs主要包括GPR41、GPR43和GPR109a，它們在腸道、肝臟、脂肪甚至免疫細(xì)胞表面均有表達(dá)，但在不同細(xì)胞表面或者不同生理狀態(tài)下表達(dá)存在差異[22]。GPR41、GPR43或者GPR109a受體的表達(dá)與動(dòng)物肥胖發(fā)生存在緊密聯(lián)系，這些受體基因的敲除或表達(dá)沉默會使得動(dòng)物對肥胖更敏感[23-25]。在體內(nèi)，丁酸可以通過結(jié)合GPCRs來降低體增重，改善動(dòng)物高脂飲食所導(dǎo)致的肥胖。Lu等[26]研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可以降低高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的體重，與體內(nèi)GPR41和GPR43表達(dá)顯著上調(diào)有關(guān)。趙利芹[4]研究發(fā)現(xiàn)，在飼糧中添加丁酸鈉也能夠顯著激活肉雞肝臟和脂肪細(xì)胞表面受體GPR41和GPR43，顯著降低脂蛋白脂酶(LPL)表達(dá)水平,抑制ACC和FAS活性，抑制肝臟和脂肪細(xì)胞的脂肪合成；當(dāng)用特定的siRNAs干擾GPR41和GPR43表達(dá)時(shí)，丁酸對脂肪沉積的抑制作用消失。Sato等[25]研究發(fā)現(xiàn)，灌胃三丁酸甘油酯能顯著提高GPR109a表達(dá)來治療肥胖小鼠，而抑制GPR109a表達(dá)則會抑制三丁酸甘油酯的治療肥胖的作用。

丁酸被GPR41、GPR43和GPR109a識別后，均與Gαi/o發(fā)生偶聯(lián)，激活Gαi/o降低AC的活性，減少ATP轉(zhuǎn)化成AMP，促使cAMP水平下降，進(jìn)而調(diào)節(jié)下游通路的腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)活性參與脂肪代謝調(diào)控[27-28]。AMPK是體內(nèi)能量傳感器，體內(nèi)AMP/ATP比值下降會激活其活性，如Lu等[29]利用1，3-二氯-2-丙醇抑制Gαi/o偶聯(lián)受體表達(dá)，通過下調(diào)AMP/ATP來抑制AMPK活性，從而誘導(dǎo)肝臟細(xì)胞脂質(zhì)積聚。丁酸通過激活GPCR與Gαi/o的偶聯(lián)，下調(diào)cAMP水平；同時(shí)丁酸可作為ATP合成底物，增加體內(nèi)ATP水平。此外，Cheng等[30]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度(1 mmol/L)丁酸能夠激活牛乳腺上皮細(xì)胞GPR41來抑制下游通路AMPK活性，促進(jìn)固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1(SREBP1)活性，最終促進(jìn)乳脂從頭合成。

丁酸也能通過cAMP-PKA-MAPK信號通路參與機(jī)體脂肪代謝調(diào)控。PKA活化能夠促進(jìn)Raf磷酸化使其失活，進(jìn)而阻斷絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路的激活[31]。丁酸激活GPCRs與Gαi/o的偶聯(lián)降低細(xì)胞內(nèi)cAMP水平，抑制PKA活性。張建梅[32]在細(xì)胞培養(yǎng)液中添加1 mmol/L丁酸促進(jìn)肉雞腸道L細(xì)胞的GPR41和GPR43活性，激發(fā)下游MAPKs信號通路，進(jìn)而提高胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的分泌，而GLP-1能夠促進(jìn)肝臟和成熟脂肪細(xì)胞內(nèi)AMPK表達(dá)增加，促進(jìn)ACC磷酸化，從而抑制其活性，減少脂肪從頭合成。除了提高GLP-1激素的分泌，丁酸還能通過Gαi/o蛋白偶聯(lián)受體，激活磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)信號通路，刺激瘦素表達(dá)，控制食欲，減少食物攝入量和增加能量消耗從而維持能量平衡[33]。

丁酸還可以通過激活GPCR和Gαi/o的偶聯(lián)，調(diào)節(jié)PKA活性來抑制激素敏感脂肪酶(HSL)活性。研究發(fā)現(xiàn)，異丙腎上腺素能夠刺激Gαs提高細(xì)胞內(nèi)cAMP水平，促進(jìn)PKA活性，提高HSL活性，促進(jìn)脂肪分解，而丁酸能夠抑制異丙腎上腺素的促脂解過程[34-35]。

丁酸通過GPCRs促進(jìn)過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活子-1α(PGC-1α)的表達(dá)，進(jìn)而加速線粒體生物合成和脂肪酸氧化。PGC-1α是線粒體生物合成的調(diào)節(jié)器，能夠促進(jìn)脂肪酸氧化并上調(diào)棕色脂肪中解偶聯(lián)蛋白-1(UCP-1)的表達(dá)，而UCP-1可使脂肪酸氧化和磷酸化過程失去偶聯(lián)，使脂肪酸氧化不產(chǎn)生ATP，而是以熱能的形式釋放[36]。Lu等[26]在飼糧中添加丁酸可顯著提高小鼠附睪脂肪細(xì)胞內(nèi)PGC-1α基因表達(dá)，促進(jìn)線粒體生物發(fā)生，而且其基因表達(dá)水平與細(xì)胞GPR41和GPR43基因表達(dá)呈正相關(guān)。Huang等[37]也發(fā)現(xiàn)母鼠補(bǔ)充丁酸可促進(jìn)斷奶仔鼠骨骼肌PGC-1α表達(dá)，且仔鼠體內(nèi)GPR41和GPR43表達(dá)得到顯著提高。

綜上所述，作為信號分子，丁酸可以結(jié)合GPCRs來調(diào)節(jié)脂肪代謝，并且表現(xiàn)出對脂肪合成既可促進(jìn)又可抑制的兩面性特征。

2.2 丁酸作為HDACs的抑制劑

作為信號分子，除了結(jié)合GPCRs之外，丁酸是一種天然的HDACs抑制劑，丁酸可以增加組蛋白乙酰化程度，松散染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而有利于提高脂肪代謝有關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄水平，進(jìn)而調(diào)控脂肪代謝[38]。

丁酸主要抑制Ⅰ類和Ⅱa類HDACs活性，而對脂肪代謝的調(diào)控更多是對Ⅰ類HDACs(如HDAC1、HDAC2和HDAC3)的抑制[39-40]。Hong等[41]研究發(fā)現(xiàn)，在高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠時(shí)，每隔1 d灌喂80 mg丁酸鈉，通過抑制HDAC1的活性，顯著提高脂聯(lián)素受體(AdipoR)和解偶聯(lián)蛋白(Ucp2/3)基因啟動(dòng)子乙酰化，促進(jìn)其表達(dá)來預(yù)防飲食誘導(dǎo)的肥胖。Zhou等[42]研究表明，丁酸鈉可以通過抑制HDAC2活性來提高肝臟細(xì)胞表面GLP-1受體(GLP-1R)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，并激活A(yù)MPK-ACC信號通路來抑制肝臟細(xì)胞內(nèi)脂肪過度沉積。Whitt等[43]研究發(fā)現(xiàn)，腸道表皮細(xì)胞內(nèi)HDAC3表達(dá)障礙的小鼠對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖表現(xiàn)出不敏感性，并且對于肥胖的正常小鼠，每日口服80 mg丁酸鈉后，其腸道HDAC3表達(dá)水平下降，肥胖也得到改善。

丁酸通過抑制HDACs活性，除了具有抑制動(dòng)物肥胖或者細(xì)胞脂肪沉積的功能，同時(shí)也存在有利于脂肪沉積的作用。如Li等[44]研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可通過抑制豬血管基質(zhì)細(xì)胞中HDACs的活性，促進(jìn)過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)和CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBPs)的mRNA表達(dá)，而PPARγ和C/EBPs是調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化的重要轉(zhuǎn)錄因子，能夠促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)脂肪沉積。Huang等[45]在母體飼糧中補(bǔ)充丁酸鈉，組蛋白3乙酰化水平顯著增加，誘導(dǎo)后代子鼠脂肪生成基因表達(dá)增加，引起子代骨骼肌胰島素抵抗和脂質(zhì)積累。

3 丁酸調(diào)控脂肪代謝的影響因素

在不同試驗(yàn)條件下，作為信號分子，丁酸可以通過結(jié)合GPCRs或者抑制HDACs來調(diào)控脂肪代謝，但都表現(xiàn)出兩面性，在體外發(fā)現(xiàn)其原因可能與添加丁酸的劑量有關(guān)(表1)。在體外細(xì)胞試驗(yàn)中，Li等[44]采用較高丁酸劑量(1和3 mmol/L)培養(yǎng)豬SVF細(xì)胞，通過抑制HDACs來促進(jìn)脂肪沉積，而低濃度(0.1 mmol/L)下丁酸并沒有出現(xiàn)明顯的促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化作用；Cheng等[30]也發(fā)現(xiàn)，添加高濃度(1 mmol/L以上)丁酸能夠促進(jìn)牛乳腺上皮細(xì)胞乳脂從頭合成；Zhao等[46]研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度(0.01 mmol/L)下，丁酸通過結(jié)合GPCRs抑制肉雞脂肪細(xì)胞的脂肪沉積，而在高濃度(1 mmol/L以上)下，通過促進(jìn)組蛋白乙酰化來促進(jìn)細(xì)胞脂肪沉積。由此可見，體外試驗(yàn)中丁酸劑量高低影響其生物功能，對脂肪代謝調(diào)節(jié)表現(xiàn)出兩面性，但在體內(nèi)動(dòng)物試驗(yàn)中，可能因體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境并沒有表現(xiàn)明顯劑量效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸對脂肪代謝的調(diào)控方向，也可能與其作用于不同組織有關(guān)，如Zhang等[47]每日以10 mL(200 mmol/L)劑量的丁酸鈉注射于生長豬靜脈內(nèi)，可減少肌肉組織中脂肪的分解，但增加脂肪組織中的脂肪分解。因此，除了考慮劑量因素以外，不同動(dòng)物或者細(xì)胞模型、丁酸類別以及對試驗(yàn)動(dòng)物的給藥方式都有可能影響丁酸對脂肪代謝的調(diào)控作用。

表1 不同試驗(yàn)條件下丁酸對脂肪代謝的調(diào)節(jié)作用

4 小 結(jié)

本文主要從丁酸作為脂肪合成的底物和通過結(jié)合GPCRs或抑制HDACs的信號分子形式2個(gè)方面闡述丁酸對脂肪代謝調(diào)控(圖1)。丁酸作為脂肪代謝的調(diào)節(jié)劑，影響機(jī)體能量與物質(zhì)平衡，是連接腸道微生物與宿主代謝之間橋梁,是調(diào)節(jié)動(dòng)物脂質(zhì)相關(guān)性狀(如乳脂、腹脂和肌內(nèi)脂肪等)潛在靶點(diǎn),也是未來治療肥胖、糖尿病等代謝疾病的靶點(diǎn)。丁酸對脂肪代謝調(diào)節(jié)作用的復(fù)雜性，可能因其本身濃度、試驗(yàn)對象或其他環(huán)境差異存在兩面性，未來需要更多試驗(yàn)研究丁酸濃度的影響以及作為信號分子的調(diào)控道路是否存在聯(lián)系，為治療肥胖提供新思路。

GPR41/43/109a：G蛋白偶聯(lián)受體41/43/109a G protein-coupled receptors 41/43/109a；Gαi/o：Gαi/o蛋白Gαi/o protein；ATP：腺苷三磷酸adenosine triphosphate；AC：腺苷酸環(huán)化酶 adenylate cyclase；cAMP：環(huán)磷酸腺苷 cyclic adenosine monophosphate；PKA：蛋白激酶A protein kinase A；HSL：激素敏感性甘油三酯脂肪酶 hormone-sensitive lipase；MAPK：絲裂原激活蛋白激酶 mitogen-activated protein kinase；GLP-1：胰高血糖素樣肽-1 glucagon-like peptide-1；GLP-1R：胰高血糖素樣肽-1受體 glucagon-like peptide 1 receptor；AMPK：單磷酸腺苷激酶AMP-activated protein kinase；ACC：乙酰輔酶A羧化酶 acetyl CoA carboxylase；FAS：脂肪酸合成酶 fatty acid synthetase；SREBP1：固醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白1 sterol response element binding protein 1；PPARs：過氧化物酶體增殖物激活受體 peroxisome proliferator-activated receptors；C/EBPs：CCAAT 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白CCAAT enhancer binding proteins。