第三章 肠道微生物群代谢产物

第一节 肠道微生物群与胆汁酸代谢

一、胆汁酸概述

胆汁酸（Bile Acid，BA）是由肝脏利用胆固醇合成的一类两亲性分子，是胆汁的重要成分。胆汁酸主要以各种钠盐或钾盐的形式存在，根据其来源，胆汁酸分为初级胆汁酸和次级胆汁酸。肝细胞合成的为初级胆汁酸，初级胆汁酸进入肠道后，在肠道微生物的作用下转变成次级胆汁酸。根据其结构上是否与甘氨酸或牛磺酸结合，又可分为两大类：一类为游离型胆汁酸，包括胆酸（Cholic Acid，CA）、脱氧胆酸（Deoxycholic Acid，DCA）、鹅脱氧胆酸（Chenodeoxycholic Acid，CDCA）和石胆酸（Lithocholic Acid，LCA）；另一类是结合型胆汁酸，即游离型胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸结合的产物，包括甘氨胆酸（Glycocholic Acid，GCA）、甘氨鹅脱氧胆酸（Glycine Chenodeoxycholic Acid，GCCA）、牛磺胆酸（Taurocholic Acid，TCA）和牛磺鹅脱氧胆酸（Taurochenodeoxycholic Acid，TCDCA）等。

进食后，胆汁酸被释放到小肠。胆汁酸可促进膳食脂肪、胆固醇、药物，以及脂溶性维生素的消化吸收。胆汁酸还是重要的内源性信号分子，在维持体内葡萄糖和脂质平衡、能量消耗及药物代谢等过程中发挥着重要的调控作用。胆汁酸的调节作用由其核受体介导，如法尼醇X受体（Farnesoid X Receptor，FXR）、孕烷X受体（Pregnane X Receptor，PXR）、维生素D受体（Vitamin D Receptor，VDR）和细胞表面G蛋白偶联受体（G Protein-coupled Receptor，GPCR）[1]。胆汁酸代谢异常与糖脂代谢紊乱、心血管疾病、肝损伤，以及结直肠癌等疾病的发生发展有关。利用这些受体的激动剂或拮抗剂来调节胆汁酸受体信号通路，在肥胖、2型糖尿病和非酒精性脂肪肝等疾病的治疗中显示出良好的应用前景。

二、胆汁酸合成

作为胆汁的主要功能成分，胆汁酸在肝细胞中代谢酶的作用下由胆固醇合成，储存于胆囊，随后释放到小肠。胆固醇的类固醇核由4个碳环组成，包括3个六碳环和1个五碳环。胆固醇向胆汁酸转化的过程中涉及的化学反应有C5-C6处双键的饱和、羟基化、3-碳单元的氧化裂解及3-羟基的差向异构化。胆汁酸是胆固醇的衍生物，大多数胆汁酸与氨基酸（甘氨酸或牛磺酸）结合形成钠盐（胆汁盐）。这些钠盐带负电，在生理pH值条件下，胆汁盐会电离成带负电荷的分子。此外，许多胆汁酸具有羟基和羧基，形成亲水性表面，因此胆汁盐在体内具有较好溶解度。

负责胆汁酸合成的酶为细胞色素P450家族酶系。研究发现，人类细胞色素P450酶系已超过200种，其中57种被明确作为羟化酶或氧化酶参与多种物质的代谢过程，如类固醇激素合成、维生素D代谢、胆固醇生物合成和药物代谢。在这些酶中，有14种被证实在胆汁酸的合成过程中发挥了作用。人类胆汁酸由初级胆汁酸和次级胆汁酸构成（见表3-1），初级胆汁酸包括胆酸（Cholic Acid，CA）和鹅脱氧胆酸（Chenodeoxycholic Acid，CDCA），而次级胆汁酸主要包括脱氧胆酸（Deoxycholic Acid，DCA）和石胆酸（Lithocholic Acid，LCA）。初级胆汁酸由肝脏中的胆固醇合成，一些初级胆汁酸被分泌至肠腔，在肠道细菌代谢酶的作用下转化为次级胆汁酸。胆汁酸的生物合成是一个多步骤酶促反应，催化其反应的酶位于线粒体、过氧化物酶体、内质网和细胞质等多种细胞器中。在肝脏中，初级胆汁酸通过两条途径合成，即经典途径和旁路途径。

（1）经典途径。在人体中，通过经典途径合成的胆汁酸占体内总胆汁酸的90%以上，因此该途径被认为是最主要的胆汁酸生物合成途径（见图3-1）。经典途径由胆固醇7α-羟化酶（Cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1）启动，在该酶的作用下，肝细胞中的胆固醇被转化为7α-羟基胆固醇。然后，3β-羟基-类固醇脱氢酶（3β-hydroxysteroid Dehydrogenase，3β-HSD）将 7α-羟基胆固醇（7α-OH-cholesterol）转化为 7α-羟基-4-胆固醇-3-酮（7α-OH-4-cholesten-3-one，C4）。C4是CA和CDCA的共同前体，血清中的C4水平可作为监测胆汁酸合成速度的指标。C4被微粒体中的甾醇12-羟化酶（Sterol 12-hydroxylase，CYP8B1）催化，C-12位被引入羟基，随后C4又经过一系列化学反应，如线粒体类固醇27羟化酶（Steroid 27-hydroxylase，CYP27A1）催化类固醇侧链氧化，最终生成CA和CDCA。CYP7A1调节胆汁酸的总生成速率，而CYP8B1调节胆汁酸池中CA与CDCA的比例（见图3-1）。在小鼠肝脏中，大多数CDCA被转化为α-鼠李酸（α-muricholic Acids，α-MCA），α-鼠李酸经差向异构转变为β-鼠李酸（β-MCA）和ω-鼠李酸（ω-MCA）。小鼠肝脏还可通过7α羟基化反应将次级胆汁酸LCA转化为CDCA。

（2）旁路途径。人体在正常生理条件下，经替代途径产生的胆汁酸不到总胆汁酸的10%。旁路途径中，CYP27A1催化胆固醇发生羟基化和氧化反应，合成3β-羟基-5-胆甾酸（3β-OH-5-cholestenoic Acid），随后3β-羟基-5-胆甾酸被氧甾醇7α-羟化酶（Oxysterol 7α-hydroxylase，CYP7B1）在 C-7 位置羟基化，生成 3β，7α-二羟基-5-胆甾烯酸（3β，7α-（OH）₂-5-cholestenolc Acid）（见图3-1）。

值得注意的是，旁路途径主要产生CDCA，而经典途径既可产生CDCA，又能产生CA。这两种初级胆汁酸之间的比例由CYP8B1决定，CYP8B1不受肠道微生物的调节。在肝细胞分泌胆汁酸之前，胆汁酸的C-24位羧基与牛磺酸或甘氨酸结合，结合了氨基酸的胆汁酸在胆汁中的溶解度更高。该结合过程需要胆汁酸胆酰基-辅酶 A 合成酶（Bile Acid Cholyl-CoA Synthetase，BAC）的作用，此外，还涉及胆汁酸辅酶A：氨基酸N-酰基转移酶（Bile Acid-CoA：Amino Acid N-acyltransferase，BAT）催化C24与甘氨酸或牛磺酸的酰胺化反应。

胆汁酸池的大小是指肠—肝循环中胆汁酸的总量，人和小鼠的胆汁酸池在组成上有很大差别。在人体中，高疏水性的胆汁酸池由大约40%的CA、40%的CDCA和20%的DCA组成。在小鼠体内，高亲水性的胆汁酸池由约50%的CA及50%的α-MCA和β-MCA组成。

三、胆汁酸与微生物代谢

大多数胆汁酸（95%）在回肠远端被重新吸收，并进入肠—肝循环；另有少量胆汁酸（400～800mg/天）滞留在结肠中，肠道细菌以这些胆汁酸为底物进行各种生物转化[4]。胆汁酸的微生物转化涉及多个步骤，如解偶联释放出游离胆汁酸、α 位和 β 位之间可逆的差向异构化及3-/7-/12-羟基的氧化。

首先，肠道微生物对初级胆汁酸进行解偶联，即在微生物胆盐水解酶（Bile Salt Hydrolase，BSH）的作用下，初级胆汁酸连接的甘氨酸或牛磺酸被去结合。研究发现，至少存在9种胆盐水解酶。这些酶在分子量大小、最佳pH值、底物特异性和表达调控等方面均存在一定差异。元基因组学数据表明，人类肠道中的多种细菌（如 Lactobacillus、Bifidobacterium、Clostridium、Bacteroides）和古细菌均表达功能性胆盐水解酶。

解偶联后的初级胆汁酸不能被小肠细胞膜上的胆汁酸钠转运体（Apical Sodium Bile Acid Transporter，ASBT）主动摄取，从而进入大肠。在大肠中，初级胆汁酸在肠道微生物群表达的代谢酶催化下发生7-脱羟基反应，生成次级胆汁酸（见图3-1）。目前已鉴定出厚壁菌门的梭菌属（Clostridium）和真杆菌属（Eubacterium）能将初级胆汁酸转化成次级胆汁酸[5]。肠道细菌产生的羟基类固醇脱氢酶（Hydroxysteroid Dehydrogenase，HSD）作用于胆汁酸的3位、7位和12位羟基，催化差向异构化反应和氧化/还原反应，这些反应将改变胆汁酸的疏水性和毒性。在小鼠中，初级胆汁酸α-MCA和β-MCA经7-脱氢基化反应，生成小鼠脱氧胆酸（Murideoxycholic Acid，MDCA）。β-MCA 经 6β-差向聚合反应，生成以ω-MCA为代表的代谢产物。β-MCA的其他代谢产物包括由6β-差向异构化和7β-脱氢酸化形成的猪脱氧胆酸（Hyodeoxycholic Acid，HDCA），以及经6β-差向异构化和7β-差向异构化形成的猪胆酸（Hyocholic Acid，HCA）。在人体中，CDCA在Clostridium absonum等细菌的作用下发生7α/β-异构化，生成UDCA。人类还存在另外一种重要的异构化反应，即初级胆汁酸发生3α/β-羟基化反应或5-H β/α-异构化反应，分别生成异胆汁酸（Iso-bile Acid）和异种胆汁酸（Allo-bile Acid；见表3-1）。此外，两种立体结构不同的（α或β）特异性酶，可催化初级胆汁酸的羟基发生差向异构化反应，生成稳定的氧胆汁酸（Oxo-bile Acid）。

肠道微生物群转化胆汁酸后可增加胆汁酸的多样性，同时增强其疏水性，可促进胆汁酸经粪便排出。一小部分解偶联的次级胆汁酸还通过被动扩散的方式经肠道吸收，并在肠肝循环中富集后作为信号分子在宿主体内发挥功能。异种胆汁酸在健康成人体内含量极低，但在肝癌发生过程中其丰度明显升高。进一步鉴定这些“稀有”胆汁酸（“Exotic”Bile Acid）的生理作用，并阐明它们是否通过胆汁酸受体传递信号，将为人类全面了解肠道微生物群如何调节宿主信号提供新视角。生物信息学和宏基因组学研究结果表明，能转化胆汁酸的微生物群种类要远多于以前经生物化学方法发现的微生物群数量。为揭示肠道微生物影响宿主代谢和疾病进程的分子机制，对这些未知的、尚不可培养的肠道细菌展开进一步研究将非常有必要。

图3-2描述了胃、肠系统和胆汁盐在营养吸收中的作用。在小肠内，胆汁盐可激活胰腺脂肪酶，产生游离脂肪酸和甘油单酸酯，并作为良好的去污剂与脂类、胆固醇和脂溶性维生素等形成混合胶囊，该混合物的形成可促进营养物质的溶解与吸收。其中，A 为十二指肠（Duodenum），B为空肠（Jejunum），C为回肠（Ileum），D为大肠（Colon）[6]。

四、胆汁酸与肠—肝循环

一个成年人每天通过肝脏合成约0.5g的胆汁酸，新合成的结合胆汁酸（胆汁酸与牛磺酸或甘氨酸结合）由肝细胞通过小管（顶端）膜分泌并进入胆汁，储存在胆囊中。人体胆汁酸池由大约3g的胆汁酸组成。胆囊中除了结合胆汁酸，还含有磷脂酰胆碱和胆固醇。结合胆汁酸与胆固醇形成混合微粒，这种混合体形式大大提高了胆固醇在胆囊中的溶解度。

进餐后，十二指肠分泌胆囊收缩素，刺激胆囊收缩，将胆汁酸等内容物排入小肠，乳化小肠内的膳食脂肪和胆固醇，促进营养物质的消化与吸收。在小肠中，结合胆汁酸激活胰腺脂肪酶，并与甘油单酸酯、胆固醇、脂肪酸及脂溶性维生素（维生素A/D/K/E）等形成混合物，这种混合胶囊的形式将有利于营养物质被肠上皮细胞吸收（见图3-2）。结合胆汁酸在回肠中通过主动运输的方式被重新吸收进入肠道毛细血管，大部分未结合胆汁酸在小肠和大肠中经被动扩散被机体吸收。

大多数胆汁酸以结合胆汁酸的形式离开肝脏。在小肠下端，结合胆汁酸被肠道微生物去结合和代谢转化。肝脏和肠道中的胆汁酸转运蛋白通过主动运输的方式，跨膜转运胆汁酸。最终，大部分的胆汁酸在回肠中被重吸收，并通过门静脉系统转运回肝脏，该过程被称为胆汁酸的肠—肝循环（见图3-3）。肝脏从门静脉血中回收胆汁酸的效率非常高，胆囊分泌的胆汁酸中，有95%通过门静脉回输至肝细胞。此外，还有少量胆汁酸进入全身循环，这部分胆汁酸在肾脏中被回收。总胆汁酸中每天只有5%（约0.5g）通过粪便被排至体外，被排出的胆汁酸由肝细胞经从头合成途径给予补充。

五、胆汁酸受体及其介导的信号转导通路

胆汁酸受体根据其结构特点，主要分为核受体（Nuclear Receptor，NR）和G蛋白偶联受体（G-protein-coupled Receptor，GPCR）两大类。核受体是一类重要的转录因子，在与配体和辅因子结合后，核受体通过影响RNA聚合酶Ⅱ的活性调节靶基因表达。以小鼠模型为例，胆汁酸除了有助于胆固醇、脂肪酸等营养物质的消化和吸收，还是重要的信号分子，通过激活核受体的方式调控多个信号转导通路（见图3-4）。胆汁酸是法尼醇 X 受体（Farnesoid X Receptor，FXR，又名NR1H4）、维生素D受体（Vitamin D Receptor，VDR，又名NR1H1）、肝X受体α（Liver X Receptorα，LXRα）、孕烷X受体（Pregnane X Receptor，PXR，又名NR1H2），以及组成型雄激素受体（Constitutive Androstane Receptor，CAR，又名NR1H3）等多个核受体的天然配体。

除了核受体，胆汁酸还可激活其膜受体（G蛋白偶联受体），这一过程不需要胆汁酸进入靶细胞。胆汁酸结合的常见的 G 蛋白偶联受体包括 TGR5（G Protein-coupled Bile Acid Receptor 1，又名GPBAR1、M-BAR或BG37）、毒蕈碱受体（Muscarinic Receptor）和鞘氨醇1受体（Sphingosine 1 Receptor，SP-1）[7]。一种胆汁酸可与多个受体相互作用，且它与不同受体间的作用可能存在差异。例如，CA、DCA、CDCA、LCA都能与受体FXR、GPBAR1相互作用，但激活能力不同。这些配体激活FXR的能力由大到小为：CDCA＞DCA＞LCA＞CA；对于GPBAR1，激活能力依次为：LCA＞DCA＞CDCA＞CA。受体VDR和PXR仅由LCA激活，对其他胆汁酸的刺激没有响应。

图3-4中，A表示FXR-FGF15轴，胆汁酸激活肠上皮细胞中的FXR，释放FGF15（人体中为FGF19），FGF15通过门静脉循环到达肝细胞，与FGFR4结合并抑制CYP7A1的生成，从而抑制肝细胞合成胆汁酸。B表示胆汁酸-胆汁酸受体轴，胆汁酸通过门静脉循环到达肝脏，并以FXR依赖的方式调节肝细胞中的胆汁酸合成（通过激活SHP来抑制CYP7A1的生成）；从肠—肝循环溢出的胆汁酸通过激活不同组织中的不同胆汁酸受体发挥系统作用，其中，初级胆汁酸CA和CDCA是FXR的配体，而DCA和LCA是GPBAR1的优先配体。C表示GPBAR1-GLP1轴，胆汁酸与回肠内分泌细胞（L细胞）表面的GPBAR1结合，诱导GLP1释放，GLP1通过门静脉循环到达肝脏，然后到达胰脏，GLP1在胰脏中诱导β细胞分泌胰岛素。D表示LCA调节的代谢轴和异生轴，LCA是受体PXR和VDR的天然配体。

胆汁酸不仅能帮助机体消化食物，也是重要的信号分子。胆汁酸通过激活各种受体在全身传递信号，调节许多重要生理过程，包括胆汁酸代谢、免疫状态、糖脂代谢和肠道运动。胆汁酸受体通过调节胆汁酸合成和转运相关基因的表达，以控制胆汁酸的合成和肠—肝循环。在胆汁酸的众多受体中，目前研究比较多的是FXR和GPBAR1。FXR主要用于调节肝脏生理过程的几个关键环节，如胆汁合成、肝内葡萄糖和脂质代谢。FXR和GPBAR1可能在糖尿病、脂肪肝、血脂异常和动脉粥样硬化等疾病的发病机制和干预治疗中发挥重要作用。

（一）法尼醇X受体

肝脏和肠道中最主要的胆汁酸受体是法尼醇 X 受体（Farnesoid X Receptor，FXR）。FXR是核受体超家族成员，可与胆酸（CA）、脱氧胆酸（DCA）、鹅去氧胆酸（CDCA）、牛磺胆酸（TCA）和石胆酸（LCA）等胆汁酸结合。此外，FXR还能与特定的DNA反应元件结合，在与维甲酸X受体（Retinoid X Receptor，RXR）结合形成异二聚体复合物后，调控靶基因的转录。核受体包括肝脏受体同系物-1（Liver Receptor Homolog-1，LRH，又名NR5A2）和肝X受体（Liver X Receptor，LXR，又名NR1H3），可调节胆汁酸合成相关基因的表达（如CYP7A1）。FXR被激活后，将诱导靶基因小异二聚体蛋白（Small Heterodimeric Protein，SHP，又名NR0B2）表达，干扰核受体的正调控作用，导致CYP7A1表达减少，从而抑制胆汁酸的合成[9]。

此外，活化FXR能抑制肝细胞摄取胆汁酸。在肝细胞中，FXR激活可促进与胆汁酸解毒相关基因的表达，如 UDP-葡萄糖醛酸转移酶1A3（UDP-glucuronosyltransferase 1A3，UGT1A3）和细胞色素P450酶3A4（Cytochrome P450，Family 3，Subfamily A，Polypeptide 4，CYP3A4）等。FXR受体被胆汁酸激活后，除了能抑制胆汁酸合成，还能诱导胆汁酸外排转运蛋白胆盐输出泵（Bile Salt Export Pump，BSEP）、磷脂酰胆碱转运蛋白多重耐药蛋白 2（Multidrug Resistance Protein 2，MDR2），以及胆固醇转运蛋白ABCG5等蛋白的表达，从而防止肝内胆汁酸的堆积。在肠道中，FXR的活化还能调节特定转运蛋白的表达，如FXR可抑制人类顶端胆汁酸钠转运蛋白（Apical Sodium Bile Acid Transporter，ASBT）的表达。此外，肠道FXR的激活可促进FGF-15（人体中为FGF-19）的表达和释放。FGF-15通过与肝细胞中的FGF受体4（Type 4 of the FGF Receptor，FGF-R4）结合而抑制CYP7A1的合成[8，10]（见图3-4）。

总体来说，当肝细胞中的胆汁酸浓度升高时，细胞内的FXR受体被激活，从而抑制胆汁酸的从头合成，加快胆汁酸排入小肠，并减缓胆汁酸重吸收。因此，广泛表达于肝脏和肠道中的FXR受体，是维持胆汁酸稳态和胆汁酸肠—肝循环的重要调节分子。

（二）孕烷X受体

孕烷X受体（Pregnane X Receptor，PXR）是核受体中的一种，发挥着异物感受器的作用，即对机体接触到的药物、致癌物等有毒异物做出响应。最初研究发现，孕烯醇酮或人工合成的糖皮质激素可激活PXR，进一步研究发现，它是孕烯醇酮等类固醇类分子的细胞受体[11]。然而，过去几十年的研究已证实，PXR是一种重要的异物感受器，它可以促进机体的解毒反应和排出有害化学物质。这种受体在肠道和肝脏中高表达，并调节这两种组织中与有害物质解毒和外排相关的基因表达，如细胞色素P450基因（负责Ⅰ相代谢中的解毒反应）、磺酰转移酶和葡萄糖醛酸转移酶（负责Ⅱ相代谢中的结合反应），以及各种转运蛋白基因（负责代谢产物的胞外转运）[12，13]。PXR可与CYP3A基因启动子上的“AGTTCA”序列结合，是调节CYP3A同工酶转录的主要分子。在pxr基因敲除小鼠中，CYP3A表达失调[14]。在肝细胞中PXR协同调节上述代谢基因，促进细胞摄取有害异物，并将进入细胞中的异物通过Ⅰ相代谢途径和Ⅱ相代谢途径进行解毒反应，产生的代谢产物随后经外排转运蛋白排出至胆汁中，从而从体内排出。

如上所述，PXR也可被类固醇等内源性物质激活。2001年，Staudinger等人发现，PXR能被石胆酸（Lithocholic Acid，LCA）或3-酮-石胆酸（3-keto-LCA）激活。在竞争性结合实验中，石胆酸或3-酮-石胆酸与PXR结合的IC₅₀约为10μmol [15]。但是，胆汁淤积引发的肝内胆管破裂，会使肝细胞暴露于胆汁中，这种情况下肝细胞的胞外LCA浓度可能高达10μmol。此时，PXR激活后可增加细胞色素P450酶基因的表达，以保护肝脏免受毒性物质的伤害。细胞色素P450酶可催化胆汁酸发生羟基化反应，转变为毒性更低、亲水性更强的胆汁酸种类。PXR还能诱导磺基转移酶SULT2A1和UDP葡萄糖醛酸转移酶UGT1A1的表达，这些酶参与胆汁酸的Ⅱ相代谢和解毒反应。文献报道，用石胆酸喂养野生型小鼠或对小鼠进行胆管结扎后，小鼠肝脏中与胆汁酸解毒有关的pxr基因将被上调。对pxr基因敲除小鼠进行同样操作，发现无论是石胆酸喂养还是胆管结扎处理，均可使转基因小鼠出现明显的肝损伤。这些研究证实，激活PXR能减弱胆汁淤积期间的胆汁酸毒性。

PXR活化还可通过抑制CYP7A1降低胆汁酸的生成，从而缓解胆汁淤积期间的肝损伤。Ståhlberg等人用PXR激动剂丙烯酰胺-16α碳酸腈（Prognelone-16α-carbontrine，PCN）处理雄性Sprague-Dawley大鼠，发现激活PXR可抑制肝脏CYP7A1酶的活性，研究结果表明，PXR可能能够调节胆汁酸的代谢[16]。PXR被胆汁酸激活后，可以抑制HNF4α与CYP7A1的启动子结合，导致CYP7A1基因转录被抑制。后来，Staudinger等人研究发现，用PCN处理野生型小鼠后，其肝脏中CYP7A1 mRNA的表达水平和胆汁酸分泌均被显著抑制，但用PCN处理pxr基因敲除的小鼠时，却未观察到前述结果，遂进一步证实了PXR对胆汁酸代谢的调节作用[15]。用PXR激动剂利福平治疗原发性胆汁淤积性肝硬化患者，可改善患者的肝脏功能，表明在胆汁淤积情况下激活PXR是有益的[17]。

此外，肠道中PXR的激活还能诱导FGF-19的表达。PXR可与FGF-19基因的启动子结合，FGF-19抑制性抗体能阻断PXR活化导致的结肠癌细胞侵袭和转移[18]。

（三）组成型雄激素受体

组成型雄激素受体（Constitutive Androstane Receptor，CAR）属于核受体（Nuclear Receptor，NR）超家族的 NR1Ⅰ亚家族。CAR 主要表达于肠道和肝脏的组织中，在肾脏、心脏和脑组织中也有低水平表达。CAR最初被定义为一种异源物质的核受体，介导肝脏对外源性化学物质和内源性胆汁酸的解毒作用。CAR的独特之处在于，在没有配体的情况下，它也具有组成性活性，在刺激剂或调节剂作用的情况下，其活性可被进一步激活或抑制。

CAR蛋白主要包括3个结构域，即配体结合结构域（Ligand-binding Domain，LBD）、DNA结合结构域（DNA-binding Domain，DBD）和二聚化结构域，CAR通过其DNA结合结构域实现与靶基因启动子区的特定DNA序列的结合。CAR与孕烷X受体在靶基因启动子区有着相同的结合序列。与 PXR 类似，二者均能调节宿主物质代谢过程中的关键基因。在凝胶迁移阻滞实验中，CAR还被证实能结合雌激素反应基序[19]。

多种外源性物质和内源性物质都能上调CAR 的表达，而CAR 激活后又可上调多个外/内源性物质代谢和排泄相关基因的转录。CAR主要通过3种方式调节靶基因，进而发挥其生物学功能：①直接调节转录；②与其他转录因子协同作用；③表观遗传修饰[20]。CAR可直接与靶基因启动子上的近端外源性物质反应元件（Xenobiotic Responsive Element，XRE）或远端苯巴比妥反应性增强模块（Phenobarbital Responsive Enhancer Module，PBREM）结合，并与维甲酸X受体（Retinoid X Receptor，RXR）形成异二聚体，共同调控靶基因转录[21]。在RXR的多种异构体中，CAR已被证实能与RXRα相互作用，但它能否与RXRβ或RXRγ相互作用，还有待研究确定。同孕烷X受体一样，CAR也是通过激活Ⅰ相代谢酶（细胞色素P450酶）、Ⅱ相代谢酶及药物转运蛋白等来感知外源性有毒物质的，并通过诱导将其清除[13]。上调上述靶基因，可有效清除有毒化学物质和药物代谢产物，防止肝毒性的发生。同时，CAR诱导的代谢酶和转运蛋白也负责清除肝脏中的疏水性胆汁酸。

长期以来，CAR被认为只与外源性物质的代谢有关，但近期的药理学和生物化学研究表明，CAR除了调节外源性物质代谢，还参与了其他多种生理、病理过程的调控，这些研究大大拓展了人们对 CAR 生物学功能的认识。基因芯片高通量数据分析显示，CAR 不仅能诱导药物代谢基因的表达，还能调控糖、脂代谢和肝细胞增殖相关基因的表达。已有研究证实，CAR活化能调节葡萄糖和脂类代谢（见图3-5）。在高脂饮食（High Fat Diet，HFD）和瘦素缺乏导致的肥胖中，使用CAR激动剂1，4-双[2-（3，5二氯吡啶氧基）]苯（1，4-bis[2-（3，5 dichloropyridyloxy）] benzene，TCPOBOP）可激活CAR，进而增加胰岛素敏感性，并改善肝脏脂肪变性[22，23]。

肝脏X受体（Liver X Receptor，LXR）—固醇调节因子结合蛋白（Sterol Regulatory Element Binding Protein，SREBP）信号途径通过激活与脂肪酸合成和脂质吸收相关的基因，在肝脏脂肪生成过程中发挥了重要作用。CAR 和 LXR 会竞争性结合共作用因子，导致 CAR 和LXR之间的相互抑制。一方面，与脂类生成相关的LXR靶基因（如Acc1、Fas、Scd1和Srebp1）的表达会受到CAR的影响。当敲除CAR基因时，这些促脂类合成基因的表达会升高，导致肝脏中甘油三酯积累；反之，激活CAR基因则会抑制LXR靶基因的表达和LXR配体诱导的脂肪生成。另一方面，同时缺失LXRα基因和LXRβ基因，将导致CAR靶基因的基础表达水平上升，而LXR的活化会抑制CAR靶基因的表达，并使小鼠对外源性有毒物质更为敏感[24]。

CAR还可通过其靶基因调节脂质合成（见图3-5）。胰岛素诱导基因-1（Insulin-induced Gene-1，Insig-1）是一种位于内质网上的胆固醇感受器，当固醇类物质含量增加时，Insig-1感受这一信号，并阻滞固醇调节因子结合蛋白（Sterol Regulatory Element Binding Protein，SREBP）的切割，抑制SREBP进入细胞核发挥转录调控活性[25]。CAR还能与Insig-1启动子上的DR4元件结合，直接诱导Insig-1的表达，进而阻止SREBP1进入细胞核诱导脂质合成基因的表达[26]。CAR调节的另一个靶基因是硫转移酶2B1b（Sulfotransferase 2B1b，Sult2B1b），Sult2B1b的作用方式与Insig-1不同，Sult2B1b催化LXR的配体改变结构，使其丧失激活LXR的能力，从而抑制SREBP1的表达和肝脏脂肪的生成。

CAR的活化不仅能够调节脂质代谢，还对葡萄糖代谢产生重要影响。目前，人们提出了两种模型来诠释CAR抑制糖异生的分子机制。在第一种模型中，CAR与叉头框蛋白O1（Forkhead Box Protein O1，FoxO1）和 HNF4α 分别竞争性结合胰岛素应答序列（Insulin Responsive Sequence，IRS）和DR1元件，从而调控葡萄糖-6磷酸酶（Glucose-6-phosphatase，G6P）和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶1（Phosphoenolpyruvate Carboxykinase 1，PEPCK1）等基因的表达。需要注意的是，人类CAR（Human CAR，hCAR）与鼠源CAR（Mouse CAR，mCAR）在控制能量代谢上存在种属差异。例如，hCAR 在激活时会选择性地抑制糖异生而不影响脂肪酸的合成，但mCAR在激活时会导致糖异生（如G6Pase、PEPCK1）、脂肪生成（Srebp-1c、Scd-1）和脂肪酸合成（Fas、Acc-α）相关基因的表达下调。在第二种模型中，CAR竞争性地结合到肝细胞核因子4α（Hepatocyte Nuclear Factor 4α，HNF4α）的辅助激活因子PPARγ共激活因子1α（PPARγCoactivator 1α，PGC1α）或谷氨酸受体相互作用蛋白1（Glutamate Receptor Interacting Protein 1，GRIP1）上，抑制PGC1α或GRIP1对HNF4α的活化，进而降低糖异生相关基因的表达水平[27]。

现有研究表明，CAR是预防和治疗代谢性疾病的潜在靶点之一。然而，CAR可能会促进细胞癌变，这阻碍了其在临床上的应用。因此，如何将CAR 对机体有利的方面与 CAR的副作用分开，将是未来研究的方向。研究人员已发现了多种CAR抑制剂，但这些抑制剂应被认真评估，主要由于CAR与另一种外源性物质感受器PXR拥有类似的靶基因和配体。通过使用纯化蛋白质对CAR和PXR的抑制剂进行比较分析，并基于细胞生物学指标对其进行仔细比对，是筛选CAR的特异性抑制剂必要的手段和途径。发掘特异性激活剂，以选择性调控CAR在糖质代谢中的活性，将有助于CAR走向临床应用[20]。

CAR通过3种方式来调节糖异生和脂肪生成相关基因的表达，即竞争性结合顺式作用元件、共调节因子失活和诱导抑制基因表达。

诱导抑制基因包括硫转移酶2B1b（Sulfotransferase 2B1b，Sult2B1b）；胰岛素诱导基因-1（Insulin-induced Gene-1，Insig-1）[20]。

（四）G蛋白偶联胆汁酸受体1

G蛋白偶联胆汁酸受体1（G-protein-coupled Bile Acid Receptor 1，GPBAR1，又名TGR5或MBAR1）广泛分布于多种组织器官，如肠道、肝脏、肺脏、脾脏和脂肪组织中。相较而言，GPBAR1在大肠和胆囊中的表达丰度最高。在肝脏中，TGR5主要分布于枯否细胞（Kupffer Cell）和肝窦内皮细胞（Sinusoidal Endothelial Cell）中，但在肝实质细胞中不表达。

胰高血糖素样肽-1（Glucagon-like Peptide-1，GLP1）是一种能刺激胰岛素分泌、抑制食欲和减缓胃肠转运的激素。在回肠内分泌细胞（L细胞）中，GPBAR1的活化可诱导GLP1的释放，从而刺激胰岛素分泌，调节糖质代谢[28]。此外，胰腺β细胞上的GPBAR1被激活后，还能通过一种cAMP和钙依赖的机制刺激胰岛素释放。GPBAR1具有抗糖尿病的作用，因此其可作为2型糖尿病治疗药物开发的新靶点。GPBAR1还可通过调节细胞内cAMP水平和激活脱碘酶活性（Deiodinase Activity）来调控能量平衡[29]。然而，由于GPBAR1受体活化的多效性，使得 GPBAR1 的激动剂药物会导致某些副作用，如瘙痒和胆囊异常充盈。此外，GPBAR1的激活还可能增加胆管癌的发生风险。因此，基于GPBAR1受体激动剂/抑制剂对疾病开展预防和治疗，可能还需要更多的研究来评估其安全性和有效性。

六、胆汁酸和肠道微生物之间的相互作用

宿主的胆汁酸代谢和肠道微生物之间相互作用、相互影响。在胆汁酸肠—肝循环过程中，肠道微生物能够对胆汁酸盐进行多种形式的生物转化（见图3-1）。以胆汁酸喂食大鼠，导致大鼠肠道微生物群在门水平发生显著改变，厚壁菌门（Firmicutes）数量增加，拟杆菌门（Bacteroidetes）数量减少。随着胆酸（Cholic Acid，CA）更多地转化为脱氧胆酸（Deoxycholic Acid，DCA），梭菌纲（Clostridia）和丹毒丝菌纲（Erysipelotrichia）的丰度显著增加[30]。另一项研究表明，饮食、肠道微生物和胆汁酸之间存在密切联系，三者之间的相互作用可导致炎症性疾病的发生。给 IL-10 基因敲除小鼠喂食饱和乳源性脂肪后，可加速牛磺酸共轭胆汁酸的合成，而胆汁酸的合成会促进肠道炎症相关的潜在致病菌——沃氏嗜胆菌（Bilophila wadsworthia）的生长。牛磺酸代谢有助于提高肠道内有机硫的利用度，从而促进亚硫酸盐还原细菌（如B.wadswothia）的生长[31]。

肠道微生物群数量和组成的变化会导致胆盐水解酶（Bile Salt Hydrolase，BSH）或胆汁酸诱导（Bile Acid-inducible，BAI）酶的表达水平发生改变，此将影响宿主体内胆汁酸池的特性（如疏水性、信号通路等）。未通过ASBT摄取的去结合初级胆汁酸进入结肠，被结肠中的肠道微生物代谢转化为次级胆汁酸。将无菌动物或抗生素处理动物的胆汁酸池与常规饲养动物的胆汁酸池相比较，可以发现它们之间存在显著差异，这些研究证实了改变肠道微生物能影响胆汁酸的构成[32，33]。在疾病状态下，肠道微生态可能发生更显著、更广泛的变化。例如，在炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease）、肌性脑脊髓炎（Myalgic Encephalomyelitis，ME）和2型糖尿病等疾病状态下，肠道微生物的组成明显改变，菌群多样性显著降低[34，35]。而随着肠道微生物群的改变，宿主胆汁酸的构成和代谢也会发生显著变化。

胆汁酸可促进或抑制肠道细菌的生长和繁殖。通常，胆汁酸对细胞膜的完整性有负面影响，这可能由于胆汁酸可使膜通透性增加，从而导致微生物细胞的死亡[36]。胆汁酸的抗菌效应取决于胆汁酸的浓度和疏水性。高浓度的胆汁酸可以改变膜脂组成，甚至溶解细胞膜，导致细胞内容物泄漏。胆汁酸一旦进入细菌细胞，会通过洗涤剂的作用改变生物大分子的结构/功能，损伤DNA，从而激活DNA修复酶[37]。Kurdi等人研究了游离胆汁酸，包括胆酸、脱氧胆酸和鹅脱氧胆酸对乳杆菌属（Lactobacillus）及双歧杆菌属（Bifidobacterium）的生物合成和生长的影响。该研究发现，游离胆汁酸会破坏细胞膜的完整性，造成质子、钾离子和其他内容物泄漏，最终导致细菌死亡[38]。此外，胆汁酸也可引起氧化损伤和pH胁迫，并可能螯合细胞生命活动所需的钙、镁等金属离子[39，40]。

胆汁酸还可通过法尼醇X受体（Farnesoid X Receptor，FXR）间接发挥抗菌作用。胆汁运输障碍会引起小肠中的肠道细菌大量繁殖，以及肠道黏膜受损，严重时可导致肠道细菌穿过肠上皮屏障，引起全身感染。在小鼠中，激活胆汁酸的核受体FXR，能诱导回肠中黏膜防御相关基因（如 iNOS、IL-18 等）的上调，并抑制由胆管结扎引起的回肠细菌过度生长和黏膜损伤。反之，敲除fxr基因，小鼠回肠中的细菌数量增加，肠屏障会受损[41]。当结合胆汁酸浓度较高时，胆汁酸主要通过直接作用发挥抗菌效应。在远端回肠区，由于结合胆汁酸的浓度降低，此时胆汁酸主要通过其受体介导的信号通路调节肠道细菌数量[42]。