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脂代谢中的胆汁酸信号:转基因小鼠抗肥胖抗糖尿病

时间:2020-04-19     作者:徐华荣【原创】

胆汁酸合成是胆固醇代谢的主要途径。胆固醇7α-羟化酶(CYP7A1)是肝脏胆汁酸生物合成通路中的限速酶,在调控脂质、糖类和能量代谢中发挥重要的作用。转基因小鼠(Cyp7a1-tg小鼠)过表达Cyp7a1抵抗高脂饮食(HFD)诱导的肥胖、脂肪肝和糖尿病。转基因小鼠为何能够抗高脂饮食?本研究通过代谢组学和脂质学分析,探究转基因小鼠对抗肥胖和胰岛素抵抗中代谢变化。研究表明小鼠中减少12α-羟化胆汁酸,提高牛磺β鼠胆酸(T-β-MCA),可以降低高脂饮食诱导的磷脂、鞘磷脂类和神经酰胺指标,改善糖尿病和肥胖症。

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1 转基因小鼠抗肥胖

1. Cyp7a1转基因小鼠B6.Cg-TgAPOE-Cyp7a1)表型。

a. 转基因小鼠促进胆固醇转化为胆汁酸,防止诱导性小鼠动脉粥样硬化;

b. 转基因小鼠胆汁酸池增大到原来的2.5倍;

c. 转基因小鼠胆囊内胆汁酸组分显著改变,其中鹅脱氧胆酸(CDCA55%,鼠胆酸(α-β-MCA27%,熊脱氧胆酸(UDCA15%

d. 肝脏合成胆固醇增加10倍,但脂肪酸合成减少了60%

e. 胆汁中胆固醇、胆汁酸、磷脂分泌物以及粪便中胆固醇和胆汁酸的排泄均有所增加,因此维持了肝脏胆固醇稳态。

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2 转基因小鼠的肝脏检测

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3 转基因小鼠血清中各脂质代谢指标检测


2. HFD饮食下转基因小鼠的血清脂质代谢指标降低。

 

       正常饮食下两组小鼠脂质指标无显著差异(图3AB);但在高脂饮食下,转基因小鼠相比于野生型小鼠所有检测脂质指标均显著减少(图3CD)。因为SMCER都参与到了动脉粥样硬化、胰岛素抵抗、糖尿病及肥胖中,因此这两项指标的降低可以减轻炎症,有助于转基因小鼠抵抗糖尿病和肥胖。有意思的是,正常饮食下,转基因小鼠肠道内这些脂质指标都是降低的,但肝脏中没有出现。

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4 胆汁酸池的增大改善小鼠脂代谢


3. 代谢组学定量分析揭示转基因小鼠胆汁酸谱的改变。

       小鼠胆囊、肝脏、回肠及结肠样本数据分析显示,转基因小鼠与野生型小鼠13种代谢产物存在显著差异。包括:牛磺酸taurine,鹅脱氧胆酸CDCA,熊脱氧胆酸UDCA,鼠胆酸(α-MCAβ-MCA),胆酸CA,牛磺鼠脱氧胆酸TMDCA,牛磺熊脱氧胆酸TUDCA,牛磺猪脱氧胆酸THDCA,牛磺鹅脱氧胆酸TCDCA,牛磺脱氧胆酸TDCAT-β-MCA,牛磺胆酸TCA

       胆汁酸池增大进而抑制Cyp8b1表达,所以12α-羟化胆汁酸类(CATCADCATDCA)降低。相反,TCDCATMDCA在所有检测组织中均升高。因为胆汁酸池的增大需要结合更多牛磺酸,所有组织中牛磺酸显著降低。数据显示,增大的胆汁酸池中大部分为TCDCATMCA以及它们的衍生物。转基因小鼠相较于野生型小鼠,胆汁酸代谢中最值得注意的发现是T-β-MCA的显著升高。它是结肠和回肠中强效的FXR拮抗剂,但肝脏和胆囊中FXR不受影响。

4. 转基因小鼠肠道FXR信号被抑制以及诱导脂肪酸β-氧化。

       粗饲转基因小鼠肠道mRNA表达分析揭示,顶纤毛钠依赖胆盐转运泵(ASBT)及肠道胆汁酸重吸收转运结构被诱导显著表达。而血窦胆汁酸外排转运泵(OSTαOSTβ)在一定程度上降低。增加的ASBT表明粪便胆汁酸排泄减少。OSTαOSTβ是受FXR诱导的。此类参与到线粒体脂肪酸β氧化的基因在肠道内的mRNA水平被上调,指示脂肪酸β氧化的增加。

5. 总结及拓展

       转基因的小鼠研究揭示Cyp7a1表达升高以及胆汁酸池的增大,能够显著改善脂质体内稳态以及抵抗高脂饮食诱导的脂肪肝、胰岛素抵抗以及肥胖。

       当下代谢及脂质学分析显示,即使面对高脂饮食(HFD),转基因小鼠的LPCPCSM以及CER等脂质水平均降低。相比于非脂肪性肝脏,代谢组学研究发现人类脂肪肝组织及高脂诱导小鼠的血清中LPCPC以及其它脂质水平都是升高的,说明脂质代谢的紊乱会导致非酒精性脂肪肝(NAFLDnon-alcoholic fatty liver diease)。在HFD诱导下,转基因小鼠中血清LPCPCSMCER水平降低,说明胆汁酸在维持磷脂体内稳态以抵抗NAFLD中的发挥重要作用。

       SMs是重要的膜磷脂,在膜表面与胆固醇进行交互,调控胆固醇的分布和稳态。SMCER的作用在胰岛素抵抗、糖尿病、肥胖以及发展中的动脉粥样硬化的发病机制已有报道。CER在细胞信号(激活蛋白激酶Cc-Jun N-terminal激酶,JNK,诱导β细胞凋亡和胰岛素抵抗)中起到广泛的生物功能。CER增加活性氧化物和激活NF-κB通路,诱导炎性细胞因子、糖尿病以及胰岛素抵抗。CER是由丝氨酸和棕榈酰辅酶A合成或者酸性神经鞘磷脂酶水解SM得来。HFD能够升高肝脏中的CERSM。在HFD转基因小鼠中SMCER水平的降低说明胆汁酸能够降低HFD诱导升高的SMCER

       先前的研究揭示DCA激活一类ASM来转化SMCERAsm敲除肝细胞抵抗DCA诱导CERJNK信号通路的激活。在转基因小鼠中,增大的胆汁酸池抑制CYP8B1,降低CADCA水平。因此,转基因小鼠中减少的DCA可能降低ASM活性,SMCER水平,进而减轻炎症,改善胰岛素敏感性。最新的糖尿病病人中的研究发现,血清12α羟化胆汁酸是升高的,并与胰岛素抗性有关。已知转基因小鼠中CA的降低能够减少肠道胆固醇和脂肪的吸收,提高胰岛素敏感性和改善肥胖。

       最新的几篇报道显示,在肥胖和NAFLD患者中肠道菌群被改变。肠道微生物调节胆汁酸代谢,减少T-β-MCA。在无菌小鼠和抗菌素处理小鼠中,相比于常规饲喂小鼠牛磺结合胆汁酸,尤其是T-β-MCA是升高的。氨苄西林促进肝脏初级胆汁酸的合成,抑制肠道FGF15的表达。有人认为T-β-MCAT-α-MCAFXR拮抗剂,减少FXR诱导的FGF15,导致肝脏Cyp7a1表达和胆汁酸合成增加。Cyp8b1敲除小鼠的研究发现胆汁酸合成以及胆汁酸池增加,粪便中胆汁酸排泄减少,小肠中胆汁酸重吸收增加。代谢组学分析发现,转基因小鼠回肠和结肠中T-β-MCA显著增加,从而增加牛磺酸合成以及与胆汁酸的结合。胆汁酸也与肠道微生物相关。肠道内缺乏CADCA可能改变了肠道微生物,减少了结合型胆汁酸向游离型胆汁酸的转变,增加了肠道T-β-MCA。抑制Cyp8b1,增加CDCA合成,进而在肝脏中转化为α-β-MCAs。因此,降低CA合成可以增加T-β-MCA,导致胆汁酸合成、肠道胆汁酸重吸收以及胆汁酸池的增大。另一方面,在IL10敲除小鼠中,高饱和脂肪增加TCA,促进低丰度沃氏嗜胆菌的扩张,增加炎性细胞因子以及结肠炎有关。

      
 本研究揭示转基因小鼠中降低的脂质指标,尤其是SMCER可以解释改善胰岛素敏感和肥胖。另外,本研究揭示增大的胆汁酸池和胆汁酸组分的改变可以减少肠道微生物胆汁酸的去结合化,增加牛磺酸结合鼠胆酸,部分抑制肠道FXR信号而不影响肝脏FXR信号。本研究在应用代谢组学诊断脂肪肝、肥胖以及糖尿病的脂类生物标志物中意义重大。增强CYP7A1活性和胆汁酸合成,联合降低CYP8B1以及12α-羟化胆汁酸或许成为一种治疗糖尿病和肥胖的治疗策略。

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