膽汁酸調(diào)控動物采食和能量穩(wěn)態(tài)的研究進展

馮曉華 王麗娜

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，廣東省動物營養(yǎng)調(diào)控重點實驗室，廣州510642)

膽汁酸(bile acids，BAs)是膽固醇代謝的產(chǎn)物，在餐后由膽囊分泌至十二指腸，隨后在回腸中被主動重吸收進入血液，并通過門靜脈回到肝臟，形成腸肝循環(huán)。作為消化液的重要組成部分，BAs最早被認為其主要功能是促進脂溶性物質(zhì)的消化吸收。然而，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，BAs還能作為信號分子調(diào)控動物機體的許多其他生理功能，如機體的能量代謝等。近年來，在畜牧生產(chǎn)應(yīng)用中證明了在肉雞飼糧中添加BAs能夠提高飼料利用率，提高其生產(chǎn)性能[1]；同時，有很多的研究聚焦于BAs對動物機體能量穩(wěn)態(tài)的調(diào)控作用，證明其過程重要且復(fù)雜。

BAs對采食和能量穩(wěn)態(tài)的影響在不同動物模型上均有研究。Song等[2]研究表明，在斷奶仔豬飼糧中添加200 mg/kg鵝脫氧膽酸可以顯著增加其日增重和總體重。Cao等[3]在28日齡豬的飼糧中分別添加0、60、80、100、120 mg/kg BAs，發(fā)現(xiàn)添加BAs可以顯著增加其平均日增重，提高生長性能。在雞的生產(chǎn)試驗中，Mohamed等[4]分別用添加0、0.5、1.0、1.5 mL/kg膽汁鹽的飼糧飼喂1日齡肉雞，結(jié)果表明添加膽汁鹽可以顯著增加肉雞的體重，降低采食量，提高其飼料利用率，以1.5 mL/kg添加量效果最佳。Ge等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在飼糧中添加BAs可以通過調(diào)節(jié)肉雞肝臟中脂代謝相關(guān)基因的表達和酶活性來提高生長性能、胴體質(zhì)量。然而，也有研究表明，在飼糧中添加BAs對斷奶仔豬和肉雞的體重和采食量均無顯著影響[6-7]。在小鼠試驗中，敲除BAs合成酶基因固醇12α-羥化酶(sterol 12α-hydroxylase，CYP8B1)會導(dǎo)致12α-羥基膽汁酸的缺乏，而飼喂高脂飼糧的敲除基因小鼠會減少能量攝入和增加體重[8]。

動物采食和能量穩(wěn)態(tài)是調(diào)節(jié)動物生長發(fā)育的關(guān)鍵進程，其受到外周、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的調(diào)控。在外周神經(jīng)系統(tǒng)中，胃腸道和肝臟等器官能夠分泌多種激素，且不同激素間能相互作用影響動物的食欲及能量穩(wěn)態(tài)；在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，下丘腦弓狀核(arcuate nucleus，ARC)是感受機體能量代謝水平的中心。ARC中刺鼠基因相關(guān)蛋白(agouti related peptide，AgRP)/神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y，NPY)神經(jīng)元與阿片促黑素皮質(zhì)素原(proopiomelanocortin POMC)/可卡因安非他命調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄肽(amphetamine-regulated transcript，CART)神經(jīng)元發(fā)揮相反的調(diào)控功能，這些神經(jīng)元的激活能夠投射到不同核團調(diào)控動物的食欲和能量穩(wěn)態(tài)。而BAs在體內(nèi)發(fā)揮功能主要依賴2種功能性受體：法尼醇X受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)和跨膜G蛋白偶聯(lián)受體5(takeda G protein-coupled receptor 5，TGR5)，它們在中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)中均有廣泛的分布。本文就中樞和外周途徑中BAs對動物采食和能量穩(wěn)態(tài)的調(diào)控作用作一綜述。

1 BAs調(diào)控動物采食和能量穩(wěn)態(tài)的外周途徑

1.1 TGR5介導(dǎo)的外周信號

TGR5，也稱G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G protein-coupled bile acid receptor 1，GPBAR1)，在胃腸道、胰腺、肝臟和脂肪組織中均有大量表達。BAs可以通過TGR5刺激腸道肽分泌，包括胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)和酪酪肽(peptide tyrosine tyrosine，PYY)，從而延長胃排空速度和增強飽腹感，使得食物攝入減少。當食物攝入信號傳入時會刺激膽囊分泌BAs到十二指腸，激活腸道內(nèi)分泌L細胞中的TGR5，并增加L細胞中環(huán)腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)濃度和激活蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)，進而將GLP-1和PYY釋放到血液中[9]。此外，GLP-1還參與調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)，能夠增加胰島素分泌并改善葡萄糖耐量。據(jù)報道，向飼喂高脂飼糧的小鼠注射TGR5激動劑INT777可以顯著增加能量消耗并減少肥胖[10]。同樣，Bensalem等[11]的研究表明，在飼喂高脂飼糧的雄性小鼠中，TGR5敲除小鼠的采食量顯著高于野生型(WT)小鼠，而能量消耗明顯低于WT小鼠，其體成分分析表現(xiàn)出更高的脂肪量。有研究表明，外源性添加BAs或注射TGR5激動劑INT777會激活TGR5調(diào)控褐色脂肪組織(brown adipose tissue，BAT)和肌肉的能量代謝，這種代謝機制由BAs通過TGR5介導(dǎo)產(chǎn)生cAMP，繼而誘導(dǎo)產(chǎn)生cAMP依賴性2碘甲狀腺原氨酸脫碘酶(enzyme type 2 iodothyronine deiodinase，D2)，該酶可以將非活性的甲狀腺素轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘?，5，3-三碘甲狀腺原氨酸(3,5,3-tri-iodothyronine，T3)，從而增加能量消耗[12]。

1.2 FXR介導(dǎo)的外周信號

FXR是核受體，在腸道和肝臟細胞中大量表達，且FXR也能調(diào)控GLP-1的分泌影響動物的攝食。然而，目前對于FXR影響GLP-1分泌的生理作用仍然存在爭議。有研究表明，用FXR激動劑GW4064處理腸L細胞會下調(diào)胰高血糖素原的基因表達和減少GLP-1的分泌，且FXR缺失小鼠的GLP-1分泌量會顯著增加[13-14]。類似地，Ducastel等[15]研究表明，用GW4064激活腸L細胞FXR會抑制由短鏈脂肪酸誘導(dǎo)的GLP-1的分泌。Zheng等[16]發(fā)現(xiàn)，口服GW4064也會降低小豬血清中GLP-1的濃度。然而，Pathak等[17]發(fā)現(xiàn)了FXR影響GLP-1分泌的新機制，即口服腸道特異性FXR激動劑fexaramine會增加腸道中產(chǎn)生石膽酸(lithocholic acid，LCA)的細菌，LCA濃度的增加會激活腸道L細胞中的TGR5，從而增加GLP-1的分泌。總之，GLP-1可以通過增加飽腹感來減少動物對食物的攝入，但是BAs通過FXR對GLP-1的影響還不明確，其具體機制還要進一步研究。

FXR參與調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)主要是通過影響細胞中的脂質(zhì)和葡萄糖合成來實現(xiàn)的。在小鼠肝臟中，Bas濃度升高會激活FXR并上調(diào)BAs合成限速酶膽固醇7α-羥化酶(cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1)的活性，從而增加BAs的合成[18]。FXR會上調(diào)小異二聚體伴侶(small heterodimer partner，SHP)的表達，且有研究表明，F(xiàn)XR的激活會抑制肝臟中甘油三酯的生成，其原因是SHP抑制了肝X受體(liver X receptor，LXR)和類固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c(sterol regulatory element-binding proteins-1c，SREBP-1c)介導(dǎo)的脂肪生成[19]。Fang等[20]研究表明，口服腸道特異性激動劑fexaramine激活腸道FXR而不激活肝臟中的FXR，會減少高脂引起的肥胖，同時增強白色脂肪組織的產(chǎn)熱和褐色化。但是Watanabe等[21]研究表明，口服GW4064激活FXR會增加飲食誘導(dǎo)的肥胖(diet-induced obesity，DIO)小鼠的體重和葡萄糖耐量不良并減少能量消耗，而敲除FXR后能改善DIO小鼠的葡萄糖耐量[22]，說明腸道和肝臟FXR可能存在不同的信號通路影響能量穩(wěn)態(tài)。Zhao等[23]研究表明，BAs激活FXR通過增加葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2(glucose transporter 2，GLUT2)的表達來增強腸上皮細胞對葡萄糖的攝取，并且FXR還能抑制腸道中葡萄糖從腸腔到血液循環(huán)的轉(zhuǎn)運，增強小鼠的降血糖能力。不僅如此，F(xiàn)XR還能通過影響糖異生調(diào)控葡萄糖穩(wěn)態(tài)。膽酸(cholicacid，CA)是一種能有效激活FXR的天然配體。在小鼠試驗中，CA和GW4064能顯著下調(diào)肝臟糖異生相關(guān)基因的表達，如磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PCK)和6-葡萄糖磷酸酶(glucose-6-phosphatase，G6pase)，從而降低db/db糖尿病小鼠的血漿葡萄糖濃度并改善胰島素敏感性[24-25]。

綜上所述，TGR5能通過胃腸激素GLP-1和PYY抑制采食和增加基礎(chǔ)代謝影響能量穩(wěn)態(tài)，而FXR在外周途徑對采食和能量穩(wěn)態(tài)的影響比較復(fù)雜，且在腸道和肝臟中可能存在不同的調(diào)控通路。

2 BAs調(diào)控動物采食及能量穩(wěn)態(tài)的中樞途徑

2.1 大腦中的BAs

BAs在腸道、肝臟、腸道微生物等中的功能及作用已有許多文章報道[26-27]。研究顯示在大腦中也存在BAs，并且在嚙齒類動物的大腦中檢測到20種BAs，包括9種游離BAs和11種結(jié)合BAs[28-29]。同樣，有研究證明，在大腦中檢測到的CA、鵝脫氧膽酸(chenodeoxycholicacid，CDCA)和脫氧膽酸(deoxycholicacid，DCA)的濃度與其血清中的濃度一致，說明大腦中的BAs源自血液循環(huán)，并且血液循環(huán)中的BAs可以通過血腦屏障(blood brain barrier，BBB)進入大腦[30]。不僅如此，大腦還存在BAs合成的相關(guān)酶，這也說明在大腦中存在BAs的合成途徑，但具體合成機制尚未知[31]。FXR和TGR5作為BAs的功能性受體同樣在大腦中大量表達。McMillin等[32]和Huang等[33]幾乎在同一時間證明了FXR在大腦中的存在。McMillin等[32]的研究證明了在肝衰竭的小鼠模型中大腦FXR和BAs誘導(dǎo)的神經(jīng)功能衰退具有功能相關(guān)性，而Huang等[33]則在小鼠體內(nèi)和體外試驗中均證明了FXR在大腦中存在，并且定位了FXR在大腦皮質(zhì)神經(jīng)元和海馬體神經(jīng)元中的表達。不僅如此，有研究表明，在小鼠的大腦中存在TGR5，在星型膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元中均有TGR5的表達[34-35]。這些BAs、BAs合成相關(guān)中間物以及功能性受體在大腦中的發(fā)現(xiàn)為BAs在大腦中的功能研究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 中樞BAs的直接調(diào)控途徑

盡管已在大腦中發(fā)現(xiàn)了BAs及其受體的存在，但是目前BAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的功能研究并不多，且主要集中于其對神經(jīng)退行性疾病的作用，而BAs通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控采食及能量穩(wěn)態(tài)的研究還比較少[36-37]。Perino等[38]研究表明，灌胃和腦室注射TGR5激動劑INT777會抑制促食欲肽AgRP的分泌，從而減少小鼠的采食量，并且說明BAs在下丘腦介導(dǎo)的厭食功能需要TGR5的參與。Castellanos-Jankiewicz等[39]的研究表明，下丘腦中的TGR5是調(diào)節(jié)DIO小鼠肥胖機制的關(guān)鍵，對DIO小鼠腦室注射外源性BAs或TGR5激動劑能通過激活交感神經(jīng)系統(tǒng)來降低其體重和脂肪含量，從而促進能量負平衡。Eggink等[40]認為，大腦中的TGR5能調(diào)控能量穩(wěn)態(tài)，其研究說明腦室注射?；悄懰猁}可促進脂肪氧化，并減少了皮下白色脂肪的褐色化和褐色脂肪對脂肪酸的攝取量，而腦室注射FXR激動劑GW4064對能量穩(wěn)態(tài)沒有影響。Deckmyn等[41]發(fā)現(xiàn)腦室注射GW4064對小鼠采食量沒有顯著影響，但會顯著降低小鼠夜間的能量消耗。因此，Deckmyn等[41]認為，下丘腦FXR同樣能夠調(diào)控小鼠的能量穩(wěn)態(tài)，并發(fā)現(xiàn)FXR會抑制下丘腦cAMP依賴性PKA的磷酸化，使cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(c-AMP response element-binding protein，CREB)表達量降低，從而下調(diào)下丘腦酪氨酸羥化酶(tyrosine hydroxylase，TH)的表達，最終降低支配褐色脂肪的交感神經(jīng)的興奮性，從而促進能量負平衡。

2.3 腸-腦軸介導(dǎo)的間接調(diào)控途徑

腸-腦軸是胃腸道和腸道微生物與中樞神經(jīng)系統(tǒng)間相互作用的重要媒介。腸-腦軸在整合和監(jiān)測腸道功能以及聯(lián)系大腦的調(diào)控功能與各種胃腸道的外周機制中發(fā)揮著重要作用[42]。BAs作為機體調(diào)控代謝、能量穩(wěn)態(tài)的重要信號分子在腸-腦軸中也具有重要作用，而BAs在腸道中向中樞傳導(dǎo)信號發(fā)揮調(diào)控功能主要通過2種關(guān)鍵信號分子：成纖維細胞生長因子15/19(fibroblast growth factor 15/19，F(xiàn)GF15/19)和GLP-1。

FGF15/19是在腸道中可以被BAs通過FXR激活的一種信號分子，具有激素特征，且在人體中表達的FGF19與嚙齒類動物表達的FGF15屬于直系同源物，具有功能相關(guān)性。BAs在小鼠回腸中被重吸收進入回腸上皮細胞，激活核受體FXR，從而啟動FGF15的表達。FGF15被分泌到血液中，隨血液循環(huán)進入肝臟，在肝臟中會通過降低CYP7A1活性抑制BAs的合成[43]。目前已有研究表明，F(xiàn)GF15及其受體均在小鼠大腦中表達[44-45]，并且FGF15能夠通過BBB進入大腦[46]，說明由BAs介導(dǎo)產(chǎn)生的FGF15/19可能在大腦中發(fā)揮重要調(diào)控功能。Marcelin等[47]研究發(fā)現(xiàn)，中樞注射FGF19會顯著降低肥胖小鼠對高脂飼糧的采食量，其機制是FGF19會抑制AgRP/NPY神經(jīng)元的興奮性。Liu等[48]研究發(fā)現(xiàn)，灌胃?；悄懰釙剐∈笱迮；悄懰釢舛仍黾右约盎啬c中FGF15表達量增加，改變肥胖小鼠的口服葡萄糖耐量，不僅如此，該研究還發(fā)現(xiàn)下丘腦可以感知血液循環(huán)中的FGF15，且FGF15抑制了AgRP/NPY神經(jīng)元。在肥胖和胰島素抵抗的小鼠模型中，側(cè)腦室注射FGF19能夠顯著改善糖耐量，減少24 h內(nèi)小鼠的食物攝入量和體重，并增加能量消耗，促進能量負平衡[49]。

在腸-腦軸中，迷走神經(jīng)作為支配胃腸道與大腦間的關(guān)鍵連接點，在傳遞信號分子和對大腦調(diào)控食欲具有重要作用。由胰高血糖素樣肽-1受體(glucagon-like peptide-1 receptor，GLP-1R)結(jié)合迷走神經(jīng)傳入的腸-腦軸已在人類和動物模型中得到證實，并且已有研究證明GLP-1R在人類和嚙齒類動物的下丘腦、腦干中表達，而這2個區(qū)域主要涉及能量穩(wěn)態(tài)和自主神經(jīng)功能[50]。GLP-1可以通過腸道迷走神經(jīng)傳入纖維從結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)(nodose ganglia，NG)進入后腦的孤束核(solitary nucleus，NTS)，隨后NTS可以將GLP-1傳入下丘腦。Charpentier等[51]研究表明，在小鼠進行迷走神經(jīng)切除術(shù)后，GLP-1介導(dǎo)的食物攝入抑制和胰島素分泌刺激功能消失。Holt等[52]的研究表明，大腦中的NTS區(qū)域中的前胰高血糖素能(preproglucagon，PPG)神經(jīng)元同樣能夠表達GLP-1，而PPG神經(jīng)元將GLP-1投射到下丘腦調(diào)節(jié)禁食誘導(dǎo)的再進食。

此外，還有研究表明，BAs本身可以直接與迷走神經(jīng)相互作用并將信號傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控食欲。有研究證明了TGR5在迷走神經(jīng)NG中的表達，并與NG中的膽囊收縮素A受體(cholecystokinin type A，CCK-ARs)存在共定位[53]。不僅如此，該研究還表明通過靜脈注射1 μg/kg DCA可以誘導(dǎo)下丘腦神經(jīng)元的激活，且迷走神經(jīng)中的TGR5和CCK-AR可以激活下丘腦的POMC和CART神經(jīng)元，從而抑制小鼠的采食量并降低食欲[53]。

3 小 結(jié)

在BAs的功能性受體FXR和TGR5發(fā)現(xiàn)之前，BAs一直被認為是促進脂質(zhì)吸收的一類物質(zhì)，而隨著科學(xué)研究的發(fā)現(xiàn)，近10年來對BAs的研究逐漸使大家認識到BAs是機體中調(diào)控各種代謝的重要信號分子。綜上可以得出，BAs對動物采食和能量穩(wěn)態(tài)的調(diào)控作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：在外周神經(jīng)系統(tǒng)中通過調(diào)控胃腸道及肝臟等外周信號分子的分泌來調(diào)控食欲和能量穩(wěn)態(tài)；在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(主要是下丘腦)中，一方面通過與大腦中的TGR5或FXR結(jié)合影響B(tài)As的調(diào)控，另一方面則通過BAs的下游信號分子FGF15/19或GLP-1經(jīng)過腸-腦軸發(fā)揮調(diào)控功能。

然而，目前有關(guān)BAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的功能的研究還比較少。在臨床研究中肝臟BAs穩(wěn)態(tài)受損能引起情緒問題和認知功能障礙[54]，意味著BAs在大腦中可能還會影響動物的情緒和行為，這對畜牧生產(chǎn)中母豬產(chǎn)后抑郁的研究也具有重要意義。此外，BAs還能作為添加劑提高畜禽的生產(chǎn)性能，但其對不同品種畜禽的適宜的添加劑量還未明確。因此，需要進一步探究BAs在動物體內(nèi)的潛在機制，為今后BAs在畜禽生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。