Microbiota-host interaction: a novel mechanism of gut microbiota in modulating bile acid metabolism to mitigate diarrhea

肝细胞以胆固醇为原料合成胆汁酸，胆汁酸这种两亲性分子通过胆管进入肠道后，在肠道微生物群的影响下其结构发生变化，生成次级胆汁酸[1]。次级胆汁酸以牛磺酸或甘氨酸结合物的形式分泌，依赖于顶端钠依赖性胆酸转运体（Apical sodium-dependent bile acid transporter, ASBT）等专一性运输机制，在肠道高效重吸收并有效排出肝脏，确保高效的肠肝循环[2]。除发挥乳化脂质的去污剂功能外[3]，胆汁酸还具备类激素信号分子的特性，能够通过激活多种核受体来控制自身的转运和代谢、脂质和葡萄糖代谢、能量代谢、免疫应答等生理过程[2, 4]。 胆汁酸稳态失衡会引发多器官病理损伤。在肝胆系统中，胆汁淤积会伴随出现肝内胆汁酸毒性蓄积，引起肝细胞凋亡及炎症；肠道内胆汁酸缺乏可使脂质代谢出现异常并且抑制脂溶性维生素的有效吸收。同时非酒精性脂肪性肝病（Non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD）到肝细胞癌（Hepatocellular carcinoma, HCC）的恶性转化可能会受到胆汁酸代谢异常的影响，这可能与法尼醇X受体（Farnesoid X receptor，FXR）等核受体信号通路的紊乱有关。这种代谢失调不仅与肠易激综合征（Irritable bowel syndrome, IBS）及炎症性肠病（Inflammatory bowel disease, IBD）等多种肠道疾病密切相关，也可能成为结直肠癌（Colorectal cancer, CRC）发展的相关因素[5]。临床调查结果表明在腹泻型IBS（diarrhea-predominant irritable bowel syndrome，IBS-D）、IBD及断奶仔猪模型中粪便胆汁酸水平显著升高[6]，这一现象与多种病理改变密切相关，包括初级胆汁酸合成过量、胆汁淤积以及ASBT蛋白表达紊乱导致的肠上皮吸收障碍。从分子机制层面来看，FXR-FGF15/19信号通路的抑制发挥了核心作用，此通路的功能障碍不仅加剧肠道炎症反应，导致黏膜屏障屏障完整性受损，而且还降低胆汁酸的肠重吸收作用[7]，由此引起渗透性腹泻发生。基于上述研究结果发现，通过靶向激活FXR通路已成为改善胆汁酸相关胃肠疾病的重要策略。 天然FXR激动剂鹅去氧胆酸（Chenodeoxycholic acid, CDCA）虽然在动物模型中已经显示出改善肠道炎症的潜力，但在临床上转化仍存在明显不足。而近期发表在Microbiome期刊上的一项研究取得了突破性进展[8]。该团队首次阐明肠道菌群可通过调控宿主CDCA葡萄糖醛酸化（Glucuronidation）修饰进而重塑胆汁酸代谢稳态，有效缓解胆汁酸紊乱诱导的腹泻。 Ma等人[8]利用高通量测序、代谢组学以及粪菌移植等多种技术从不同角度研究了菌群与宿主胆汁酸代谢间的相互作用关系。作者首先比较分析了健康仔猪与胆汁酸紊乱腹泻模型猪的结肠中胆汁酸成分及菌群构成，结果显示腹泻样本中尿苷二磷酸葡萄糖醛酸基转移酶1A4 （UDP-glucuronosyltransferase 1A4，UGT1A4）的转录水平异常上调，导致CDCA转化为CDCA-3β-葡萄糖醛酸结合物。这一代谢产物通过抑制FXR受体导致肠道炎症因子表达升高、上皮细胞凋亡加重以及黏膜屏障完整性破坏，最终导致胆汁酸稳态失调性腹泻。为了验证这一机制，研究团队利用 UGT1A4基因敲除的小鼠与外源CDCA-3β-葡萄糖醛酸进行干预，研究证实抑制UGT1A4的作用有利于缓解FXR信号的阻遏和肠屏障功能障碍（图1A），为利用UGT1A4-FXR信号轴治疗胆汁酸紊乱性腹泻提供实验研究基础。研究人员接着证明了法尼醇X受体-沉默信息调节因子1-肝激酶B1（FXR-SIRT1-LKB1）信号轴在胆汁酸紊乱性腹泻中发挥关键的调控作用。实验通过转录组数据分析发现胆汁酸紊乱性腹泻模型中LKB1表达下调，而FXR激活可通过上调LKB1抵抗肿瘤坏死因子α（Tumor Necrosis Factor-alpha，TNF-α）诱导的肠上皮细胞凋亡。从分子调控机制层面来看，FXR通过与SIRT1基因启动子区域的结合调控其mRNA的转录过程。无论是SIRT1基因的沉默，还是FXR表达的减弱都会导致LKB1蛋白乙酰化水平的升高，从而影响细胞凋亡进程。利用构建蛋白质互作网络以及免疫荧光共定位和免疫共沉淀技术方法发现LKB1可以通过与细胞核内的肿瘤蛋白53（Tumor protein 53，P53）结合抑制其转录激活作用。在炎症条件下，LKB1与P53之间的相互作用减弱导致P53下游凋亡相关基因表达上调。在动物水平上发现使用FXR激动剂能够使LKB1重新定位到细胞核，通过减少乙酰化修饰水平，阻断P53介导的细胞凋亡通路，维护肠道屏障功能(图1B和1C)。此外，作者通过UGT1A4抑制剂及粪菌移植研究进一步证明通过调节FXR-SIRT1-LKB1信号轴干预胆汁酸代谢紊乱能够改善腹泻症状。随后发现罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri，L. reuteri）通过所产生的代谢物吲哚-3-甲醇（Indole-3-carbinol，I3C）作用靶向性干预UGT1A4的表达，从而缓解胆汁酸紊乱性腹泻。相比于胆汁酸代谢紊乱的个体，健康仔猪肠道内L. reuteri的定植水平明显更高。机制研究显示L. reuteri产生的I3C通过减少UGT1A4的表达来抑制CDCA-3β-葡萄糖醛酸的形成。从分子层面来看，I3C作为芳香烃受体（Aryl hydrocarbon receptor，AHR）的特异性配体能够诱导AHR发生核转位，进而抑制UGT1A4基因的转录过程（如图1D所示）。研究结果显示I3C不仅能够对AHR抑制剂诱导的UGT1A4活性增加进行拮抗，而且在胆汁酸代谢紊乱小鼠模型中显著下调了肠道UGT1A4表达量以及总胆汁酸水平，具有抗氧化、修复屏障的效应。值得一提的是，I3C与CDCA联合应用呈协同效应，这为揭示发挥AHR-UGT1A4信号轴调控胆汁酸代谢平衡重要性提供了依据。 与大多聚焦于微生物直接代谢胆汁酸报道的途径不同，该工作的主要发现对揭示微生物如何通过“间接调控宿主代谢酶活性”的方式，维持胆汁酸的稳态，具有全新的启示意义。研究基于无菌动物模型，结合非靶向代谢组学鉴定，确定UDP-葡萄糖醛酸转移酶（UGT）是微生物调控的核心靶点，同时证实微生物缺失会导致UGT介导的CDCA葡萄糖醛酸化增加，进而引起肠道游离胆汁酸异常累积及渗透性腹泻。这一进展深化了人们对UGT介导胆汁酸代谢的认知，为代谢性疾病的干预和治疗带来启示。同时研究结果确认了微生物重构可逆转胆汁酸代谢紊乱，为开发以治疗为目的的可靶向微生物、工程化益生菌、后生元制剂等方面的研究奠定了实验基础。研究结果还确定了CDCA葡糖醛酸化产物为潜在的生物标志物，可用于腹泻亚型的精准分型，以及治疗效应动态评估，从而促进精准医疗的发展。