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胆汁酸生物生理学

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浏览:- 发布日期:2019-03-01 16:45:11【

胆汁酸生物生理学

作者John Y. L. Chiang and Jessica M. Ferrell

技术部徐华荣

胆汁酸通过促进肠道养分吸收及胆汁中胆固醇的分泌来维持胆汁酸体内稳态,从而保护肝脏及其他组织细胞免受胆固醇及胆汁酸的毒性影响。胆汁酸代谢严格受到肝脏中胆汁酸生物合成及肠道内胆汁酸生物转化的调控。

胆汁酸合成是胆固醇代谢的一条重要途径,被复杂且尚未完全认清的网络机制严格调控。胆汁酸是一类去垢分子,在肝脏和其他组织中累积过高会造成强细胞毒性。因此必须严格控制胆汁酸合成,使其在肝胆以及肠道循环中维持稳定水平。小鼠模型和病人的最新研究显示,胆汁酸是一类信号分子,能够激活核受体和膜G蛋白偶联胆汁酸受体,来调控经典胆汁酸合成途径及替代胆汁酸合成途径,维持肝脏、肠道及脂肪组织中血脂、血糖及能量正常代谢。脂肪、类固醇及脂溶性维生素肠道内吸收及肝脏中代谢都需要胆汁酸参与。胆汁酸代谢紊乱会影响肝脏代谢平衡,导致炎症并引发代谢性疾病如:非酒精性脂肪肝病(NAFLD)、糖尿病、肥胖及炎症性肠病(IBDs)。在半个多世纪时间里,众所周知胆汁酸是肠道的抑菌剂,防止肠道微生物过度生长,保护肠道屏障功能。前沿的胆汁酸组分、肠肝循环、胆汁酸池及宿主代谢研究,为胆汁酸生物和生理学研究开辟一个新纪元。

1 胆汁酸肠肝循环

肝脏中胆固醇转化为胆汁酸是胆固醇代谢的主要途径。人类肝脏每天大约合成0.5 g胆汁酸(80-90 kg体重)(图1)。胆汁酸以主动运输方式分泌到胆小管中形成胆汁。进餐后储藏在胆囊中的胆汁酸通过胆总管释放进入肠道。微量胆汁酸通过胆-肝分流管回到肝细胞。在小肠前端微量胆汁酸会被被动吸收,大部分胆汁酸则在回肠以主动吸收方式进入血液循环,之后通过肝门静脉进入肝脏。胆汁酸池中约95%胆汁酸会被高效的胆汁酸肠肝循环重吸收。随排泄物排出的少量胆汁酸(0.5 g/天)会通过肝脏合成得到补充。胆汁酸肠肝循环每天发生6到8次,维持胆汁酸池在3 g左右。每天进入全身循环系统的约0.5 mg胆汁酸会随尿液排出体外。

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2 胆汁酸合成

肝脏是拥有合成胆汁酸所需所有酶类唯一器官(图2)。肝脏中存在两条胆汁酸合成途径:经典(中性)途径和替代(酸性)途径。经典途径以胆固醇甾环羟基化、异构化、还原修饰开始(脱羟基酶存在于胞浆和内质网中),接着在线粒体中发生类固醇侧链氧化反应,在过氧物酶体中发生侧链氧化断裂反应。替代途径起始于类固醇侧链氧化反应,接着发生甾环修饰和类固醇侧链的氧化断裂反应。

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2.1 经典胆汁酸合成途径

经典胆汁酸合成是由限速酶胆固醇7α羟化酶(CYP7A1)特异性在7α位羟化胆固醇形成7α羟化胆固醇开始,经3β-羟基-D5-C27-类固醇脱氢酶(HSD3B7)转化为7α-羟基-4 cholesten-3-one(命名C4)。C4是人类肝脏中主要合成的两类初级胆汁酸,胆酸(CA)和鹅脱氧胆酸(CDCA)的共有前体。血清中C4水平反应人类胆汁酸合成率。甾醇12α羟化酶(CYP8B1)是一种CA合成的分支酶。CYP8B1催化C4的12α-羟化反应为7α,12α-二羟基-4 cholesten-3-one,接着经两种aldo-keto-还原酶(AKR1D1和AKR1C4)转化为5β-胆甾烷-3α,7α,12α-三醇。未经12α-羟化反应,C4会被转化为5β-胆甾烷-3α,7α-二元醇来合成CDCA。线粒体固醇27-羟化酶(CYP27A1)催化5β-胆甾烷-3α,7α,12α-三醇及5β-胆甾烷-3α,7α-二醇的类固醇侧链氧化为-C27-OH,之后进一步氧化为C27-OOH来分别合成3α,7α,12α-三羟基-5β胆甾烷酸(THCA)和3α,7α-二羟基-5β胆甾烷酸(DHCA)。长链的脂肪酰辅酶A合成酶,即甾醇侧链断裂反应在过氧化酶体中发生。胆汁酸辅酶A合成酶(乙酰辅酶A氧化酶和一种双功能酶/酵素)通过催化THCA和DHCA进行过氧化物酶体β-氧化来形成酰基辅酶A,接着丙酰基辅酶A被硫解酶裂解为三羟基胆甾烯辅酶A(trihydroxycholyl-CoA)和二羟基胆甾烯辅酶A(dihydroxycholyl-CoA),随后两者在胆汁酸辅酶A:氨基酸N端脂酰基转移酶(BAAT)作用下与甘氨酸(G)或者牛磺酸(T)结合分别生成T/G-CA和T/G-CDCA(图3A)。在小鼠肝脏中,大部分CDCA被物种特异性固醇6β-羟化酶(Cyp2c70)转化为α-鼠胆酸(α-MCA),接着α-MCA中7α-OH基团差向异构化为7β-OH基团,形成β-MCA。MCAs是小鼠肝脏合成的初级胆汁酸。小鼠和人类中,CDCA中的7α-OH基团能够被异构化为7β-OH来形成熊脱氧胆酸(UDCA)。

2.2 替代胆汁酸合成途径

肝脏中替代胆汁酸通路的启动是通过CYP27A1,将胆固醇转化为27-羟基胆固醇,然后转化为3β-羟基-5-胆甾烯酸。接着在肝脏、类固醇合成组织以及巨噬细胞中非特异性氧化甾醇7α-羟化酶(CYP7B1)羟化这种胆甾烯酸为3β,7α-二羟基-5-胆甾烯酸,之后被HSD3B1/3B2催化合成7α-羟基-3-羰基-4-胆甾烯酸。小鼠和人类肝脏中,非CYP450酶类固醇25-羟化酶(CH25H)将胆固醇转化为25-羟基胆固醇,接着被CYP7B1转化为5-胆甾烯-3β,7α,25-三元醇。在大脑中,类固醇24-羟化酶(CYP46A1)将胆固醇转化为24-羟基胆固醇,之后在小鼠肝脏中被一类特异的固醇类-7α-羟化酶(CYP39A1)转化为5-胆甾烯-3β,7α,24(S)-三元醇。肝外组织中形成的氧化类固醇中间体(氧固醇)能够被运输至肝脏中用于合成胆汁酸。替代途径不仅合成CDCA,也能合成CA。

2.3 两种胆汁酸合成途径关系

受到CYP7A1的调控的经典胆汁酸合成途径是胆汁酸合成的主要方式,且CYP7A1是经典胆汁酸合成途径中唯一的限速酶。新生儿中在CYP7A1表达前胆汁酸主要是通过替代途径合成。婴儿断奶后,CYP7A1开始表达。成人肝脏中经典途径成为胆汁酸合成主要途径。有观点认为经典途径之所以是胆汁酸合成的主要途径,是因为人类肝脏中80%的胆汁酸均通过经典途径合成。而啮齿类动物中,经典途径和替代途径对胆汁酸的合成贡献基本相同。CYP7A1基因突变的成年男性病人仅会出现轻度的高胆固醇血症和早期胆源性疾病,说明在CYP7A1启动的经典合成途径一旦出现障碍,替代胆汁酸合成途径就会被激活来合成胆汁酸。在一例新生儿病人中检查发现,CYP7B1基因突变会导致严重的胆汁淤积性肝损伤及氧化甾醇代谢物和一羟基胆汁酸的蓄积。该发现支持新生儿中替代胆汁酸合成途径起重要作用的观点。

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3 胆汁酸结合与转化

胆汁酸形成Na2+盐(胆盐),在生理pH值下离子化。C24上胆汁酸与甘氨酸和牛磺酸的结合增强胆汁酸的离子化、亲水脂性和可溶性(图3A)。胆汁酸也能够通过UDP-葡萄糖醛酸基转移酶UGT1A1,2B4以及2B7的作用下在C3、C7或者C24位上与葡萄苷酸结合。胆汁酸磺酸基转移酶SULT2A1和SULT2A8转运一个磺酸基到C3或者C7位置上。结合型胆汁酸通过胆盐输出泵小管分泌到胆汁中(BSEP),在胆囊中与胆固醇、卵磷脂一起混合形成微团,防止胆固醇的沉淀和保护胆囊上皮细胞免受胆汁酸毒性。饮食之后,胰腺释放的胆囊收缩素(CCK)刺激胆囊收缩,释放胆汁酸进入胃肠道。小部分胆汁酸在小肠的起始端被动吸收,大部分在回肠和结肠主动吸收。在这里肠道微生物胆酸盐水解酶(BSH)水解结合型胆汁酸成为游离型胆汁酸。之后细菌性7α-脱羟基酶将CA和CDCA分别转化为脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)(图3B)。CDCA能够被6α-羟基化来形成猪胆酸。CDCA中的7α-OH基团能够异构化为7β-OH基团形成UDCA。UDCA能够在肠道微生物中经过脱羟基作用转化为LCA。啮齿动物能够将LCA通过7α-羟基化作用转化为UDCA,通过6α-羟基化作用转化为猪脱氧胆酸,或者通过6β-羟基化作用转化为鼠脱氧胆酸(图3B)。结肠中,α-MCA和β-MCA能够被转化为ω-MCA。肠道中形成的次级胆汁酸通过粪便排出体外,部分在结肠中重吸进入肝门静脉血与CA和CDCA一起回到肝脏,成为肠肝循环的胆汁酸池一部分。少量在肝脏中重吸收的LCA(~1%)经高效硫化分泌进入尿液排出体外。

4 胆汁酸池和胆汁酸组分

胆汁酸池是指流通在肠肝循环中的总胆汁酸,包括肝脏(< 1%)、肠道(~85%—90%)以及胆囊(~10%—15%)中的胆汁酸。从肝脏中扩散到体循环中的胆汁酸未被计入胆汁酸池中。胆囊中的胆汁酸是由新合成胆汁酸及随肠肝循环返回肝脏的胆汁酸构成,因此胆囊中胆汁酸组成成分更接近循环着的胆汁酸池中胆汁酸的成分。结肠中大部分胆汁酸是游离型DCA,而在胆汁酸池中大部分胆汁酸(~95%)为结合型胆汁酸。人类胆汁酸池中CA约占40%,CDCA约占40%,DCA约占20%,甘氨酸与牛磺酸结合型胆汁酸的比例约为3比1,人类胆汁酸具有强疏水性。在小鼠中,大部分胆汁酸是牛磺酸结合型(95%),胆汁酸池包含约60%的TCA和40%的Tα-MCA及Tβ-MCA,具有强亲水性。胆汁酸池组分改变或胆汁酸疏水性增强会导致胆固醇性胆结石和肝脏胆汁淤积性损伤。过量饲喂小鼠CA改变胆汁酸池和增强胆汁酸疏水性能够导致脂肪肝和胆汁淤积症。胆道胆汁酸分泌阻塞会引起肝细胞内胆汁酸沉积进而造成肝损伤。另一方面,在胆固醇血症患者和动物中,使用胆汁酸螯合剂会降低胆汁酸池容量,促进胆汁酸合成,降低血清中胆固醇含量。

小鼠中胆汁酸相关基因的研究取得重大进展。小鼠中过表达Cyp7a1 cDNA(Cyp7a1-Tg mice)能够使得胆汁酸池增大2.5倍,其中大部分为TCDCA(60%)和TMCA(40%),因为Cyp8b1受到抑制而不含TCA。在Cyp7a1-Tg小鼠回肠和结肠中,TMCAs含量增多,神经酰胺(磷脂质)降低。这些小鼠抵抗膳食诱导肥胖(DIO),可能是由于肝脏法尼醇X受体(FXR)被TCDCA激活从而抑制脂肪的形成,同时TMCAs与肠道中FXR结合,从而减少神经酰胺合成。另一方面,纯种C57BL/6J遗传背景的Cyp7a1-/-小鼠胆汁酸池缩减到野生型小鼠胆汁酸的约60%,胆汁酸池中TCA减少,但TMCA增加,胆汁酸池亲水性增强。有意思的是,Cyp7a1-/-小鼠的糖耐受同样得到增强,甘油三酯水平降低,抵抗由西方高脂饮食(HFD)引发的胰岛素耐受。可能是因为替代胆汁酸合成途径被启用,降低的TCA减少了胆固醇吸收,更多的TMCA合成激活肠道内FXR活性,进而减少神经酰胺的合成。在Cyp8b1-/-小鼠中,Cyp7a1表达升高,胆汁酸池容量增大,TMCAs合成增多。这些小鼠抵抗HFD(60%脂肪热量)诱导的脂肪肝。在Cyp7b1-/-小鼠中,胆汁酸池容量和构成组分正常,但25-和27-羟基胆固醇出现蓄积。尽管切换两种途径合成胆汁酸会造成胆汁酸组分改变,进而影响肝脏代谢,两种胆汁酸合成途径的存在对于产生足够胆汁酸池意义重大。

资料:Jyl C, Ferrell J M. Bile acid metabolism in liver pathobiology [J]. Gene Expr, 2018.


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