Microbiome | 一文读懂 · 人体内胆汁酸的微生物转化途径

胆汁酸（图1）是有效的抗菌剂，在肠道先天免疫防御中发挥着重要作用。BAs的修饰是一种重要的微生物防御机制，已知BAs以抑菌和杀菌方式影响易感细菌，除螺旋体门外，还影响葡萄球菌、巴拉蒂菌、肺炎球菌和肠球菌等菌属。BAs在肠道中充当清洁剂并支持通过肠膜吸收脂肪，这些相同的特性允许破坏细菌膜。在针对金黄色葡萄球菌、乳酸杆菌和双歧杆菌进行测试时，初级BAs以剂量依赖性方式破坏膜，非结合BAs比它们的共轭对应物更能降低生存能力。与甘氨酸或牛磺酸结合后，初级BAs在生理pH值下完全电离。这对于BAs从肝脏移动很重要，完全电离可防止细菌膜之间的显著相互作用和被动扩散，非结合的CA和CDCA能够破坏并穿过细胞膜造成细胞内损伤。然而，结合型BAs对肠道微生物群的作用更为间接，在小肠中高浓度时，它们会调节FXR和其他控制胆汁合成的回肠受体。

图1. 人体胆汁酸结构多样性

肠道微生物群可将氨基酸与胆酸结合，而与宿主肝脏无关，有四种与BA的微生物转化相关的不同途径：去结合、脱羟基化、氧化和差向异构化。

BAs的去共轭被认为是对进一步修饰的反应。去结合的初级BAs可以作为改变总胆汁酸池的信号分子，因此，微生物群可能已经进化出去结合机制以进一步控制胆汁的产生。去结合会导致抗菌BAs如CA和CDCA的浓度增加，这可能会推动微生物组组成的变化。BSH（EC3.5.1.24）能够解偶联甘氨酸和牛磺酸结合的初级BAs，肠道微生物群的成员也可以使用释放的甘氨酸和牛磺酸残基作为营养来源，去结合是肠道微生物组的基本功能。

在所有主要的细菌门和古细菌物种中都发现了能够催化去结合反应的酶，拟杆菌门(Bacteroides)是其中之一，被认为在初级BAs的解除调节中起重要作用。具有氨基酸水解能力的细菌包括革兰氏阳性菌如双歧杆菌、乳酸杆菌、梭菌、肠球菌和李斯特菌。然而，BSH的活性也存在于革兰氏阴性菌如寡养单胞菌、拟杆菌属和布鲁氏菌有助于肠道内氨基酸水解。在流产布鲁氏菌和单核细胞增生李斯特菌的情况下，BSH基因对于小鼠模型中的毒力和建立感染很重要。Jones等人宏基因组研究发现BSH编码基因在肠道内的所有主要细菌和古细菌物种中都是保守的，具有BSH活性的细菌占人类肠道细菌菌株的26.03%。

所有BSH反应都依赖于酰胺键水解以释放牛磺酸或甘氨酸（图2A-B），在pH 6左右BSH活性最佳。在双歧杆菌属中发现的三类BSH中，两类具有高活性且底物特异性不同。这两个类别都表现出对甘氨酸共轭BA的偏好，而对牛磺酸共轭BA的活性各不相同。尽管BSHs可以同时利用牛磺酸和甘氨酸结合物，但编码许多BSHs可能允许底物特异性的轻微变化和胆汁酸池的更特异的操作。来自唾液乳杆菌(PDBID:5HKE)，长双歧杆菌(PDBID:2HF0),多形拟杆菌(PDBID:6UFY),产气荚膜梭菌(PDBID:2BJF)和粪肠球菌(PDBID:4WL3)的BSH酶的结晶见图2C。粪肠球菌、唾液乳杆菌、长双歧杆菌和多形类杆菌均保持αββα基序的结构同源性（图2D），表明它对活性至关重要。来自多形类杆菌的BSH（图2C）缺少一个转角，这可能是其他结晶BSH之间结构同源性降低的驱动因素之一。对唾液乳杆菌、长双歧杆菌、粪肠球菌和产气荚膜梭菌氨基酸序列的关键残基进行分析表明，在每个属的BSH活性位点中均存在高度保守的残基。

图2. 肠道细菌间的解偶联反应和酶同源性

肠道微生物的关键转化之一是C7位点的BA脱羟基。在梭状芽胞杆菌中，bai操纵子编码CA顺序氧化所需的几种蛋白，BaiG基因编码胆汁酸转运蛋白，允许CA摄取，BaiG能够运输CDCA和DCA。BaiB以ATP依赖性方式连接CoA，形成胆酰辅酶A，然后胆酰-CoA被氧化两次，首先是BaiA，然后是BaiCD，生成3-oxo-^Δ4-cholyl-CoA。然后假设BaiF将CoA从3-oxo-^Δ4-cholyl-CoA转移到CA，产生3-oxo-^Δ4-CA和cholyl-CoA。在DCA-CoA、LCA-CoA和alloDCA-CoA作为供体，CA作为受体的情况下，已观察到BaiF CoA转移酶活性。限速步骤发生在通过7α-脱水酶BaiE对C7进行脱羟基的过程中。参与CA 7α-脱羟基化的基因也能够识别CDCA脱羟基化途径中的中间体。BaiE的晶体结构在C.scindens(PDBID:4LEH), Clostridiumhylemonae(PDBID:4L8O)和Peptacetobacterhiranonis (Clostridiumhiranonis,PDBID:4L8P)的配体缺失构象中产生（图3）。负责C.scindens中BA 7α-脱羟基还原臂的酶由BaiN编码，BaiN负责在脱羟基后C6-C7和C4-C5的顺序还原，由BaiA2编码，该酶催化NADH依赖性3-氧还原如3-氧代去氧胆酸和3-氧代石胆酸。BaiO被认为在7α-脱羟基的还原臂中执行与BaiA2类似的功能。7β-脱羟基以类似的方式发生，主要区别在于使用BaiH代替BaiCD进行C4氧化。7β-脱水酶活性可能是类似于上述BaiE的7β-脱羟基化的限速步骤。

图3. 初级胆汁酸CA和CDCA脱羟基途径

BAs的差向异构化由肠道微生物进行，丰富了二级BAs的化学性质，如通过位置特异性羟基类固醇脱氢酶（如7α-HSDH）氧化羟基，并还原另一种位置特异性羟基类固醇脱氢酶7β-HSDH。CA可以差向异构化形成衍生物如熊胆酸（UCA），12-表胆酸（12-ECA）或异胆酸（iCA）（图4A），而CDCA可以差向异构化形成UDCA或异鹅去氧胆酸(iCDCA)(图4B)。在三个CA羟基位置及两个CDCA羟基位置都观察到氧化和差向异构化使得非共轭BA多样性丰富。C.scindens, C.hylemonae ,C.perfringens和P.hiranonis都被发现能够产生羟基类固醇3α-脱氢酶，这是7α-脱氢途径中的重要一步，3α-脱氢也发生在梭状芽胞杆菌属之外，如拉氏不动杆菌，Blautiaproducta, Eggerthellalenta。E.lenta 3α-HSDH能够利用TaurBAs和GlyBAs作为底物，在CDCA氧化的情况下，CDCA的共轭形式用作底物时，3α-HSDH活性增加。

C.baratii已被证明可将CDCA差向异构化为UDCA，但不能将glyco-和tauro-BAs差向异构化，而是在差向异构化之前将TaurCDCA去结合。CDCA的差向异构化，独立于缀合物，对于产生保护性BA——UDCA至关重要。Ruminococcusgnavus, Clostridiumabsonum, Stenotrophomonasmaltophilia, Collinsellaaerofaciens都通过7-oxo-LCA以NADH或NADPH依赖的方式转化为UDCA池。12β-HSDH活性在酸性和碱性条件下均可发生，R.gnavus在催化7-oxo-LCA转化为UDCA方面表现出明显的活性，这与UDCA的保护特性相结合，因而R.gnavus可作为一种潜在益生菌有待进一步研究。

最近已鉴定出几种肠道细菌可产生12α-羟基类固醇脱氢酶(12α-HSDH)。E.lenta除了3α-HSDH外，还表现出12α-HSDH的能力，催化需要NAD⁺或NADP⁺作为辅因子，当用甲基化BA进行测试时，E.lenta 12α-HSDH反应速度增加，表明其偏好疏水BAs。与它的3α-HSDH相似，E.lenta 12α-HSDH能够利用甘氨酸和牛磺酸结合的BAs。Enterorhabdusmucosicola也能够进行3α和12α氧化，尽管12α-HSDH活性仅限于C7位置已经被氧化时。据报道C.scindens, P.hiranonis, C.hylemonae产生12α-HSDHs，推测拟杆菌属物种也编码12α-HSDHs。在所有三种梭菌物种中，对12-oxo-LCA的偏好优于12-oxo-CDCA，这表明C7羟基在确定酶活性中起重要作用。C12处的氧化也发生在12βBAs中，且已在Clostridiumparaputrificum,Clostridiumtertium,Clostridioidesdifficile中观察到。最近发现C.paraputrificum中编码12β-HSDH的基因，以研究12β-HSDH产生菌的多样性。假定在厚壁菌门、放线菌门和变形菌门中发现了12β-HSDH基因。C.scindens和P.hiranonis是仅有的能够将3,7,12-三氧胆酸完全氢化为CA的细菌。氧化可能是微生物对BA进行解毒的一种方式，降低它们的两亲性，氧化的BAs逐渐失去作为去污剂的能力，防止DNA和膜损伤。

图4. CA和CDCA差向异构化途径

最近发现一组新的BA在C24酰基位点与宿主缀合机制相似，与胆酸骨架上的苯丙氨酸、亮氨酸和酪氨酸缀合，实验明确了细菌Enteroclosterbolteae是一种负责产生MCBAs的物种。这种微生物介导结合的确切机制尚未阐明，但在BA酰基位点上添加独特的氨基酸不可避免地会改变其化学性质。苯丙氨酸、亮氨酸和酪氨酸CA共轭物的功能大多未知，尽管用这些化合物灌胃会导致小鼠FXR激动，进一步研究这类BA偶联物的作用将可能产生用于治疗多种肠道疾病的新药物靶点。有证据表明BA亲水性在几种BA修饰酶的活性中起主要作用。因此，识别负责将其他氨基酸与BA结合的生物体和氨基酸特异性机制是确定微生物如何利用这些化合物影响宿主或微生物群竞争的第一步。

已知天然蛋白质中存在超过140种氨基酸，人类BAs池由能够在四个不同位置羟基化的甾醇骨架组成，可以是ɑ-/β-羟基化、氧化成酮或不存在，如5ɑ-甾醇或5β-甾醇，显著拓宽了BAs多样性（图5），人胆汁酸池以CA、CDCA和DCA为主，随后的牛磺酸和甘氨酸缀合将该池增加到9个BAs，BA-氨基酸缀合物将潜在的人类BAs库增加到66种独特的缀合物。除了环取向外， CA（包括C3、C7、C12）上存在每个羟基的潜在氧化、差向异构和脱羟基状态，将人类BAs缀合物的数量扩展到2800+个，MCBAs的潜在多样性及它们对肠道微生物群和宿主产生影响力。据报道只有相对疏水的氨基酸才能被微生物与胆酸结合，而甘氨酸和牛磺酸与任何甾醇的共轭显著增加了化合物的亲水性，另外微生物与疏水性氨基酸的结合也会影响它们的去污剂、信号传导、抗菌特性及BAs转运。

图5. MCBA的产生可能增加宿主BA池多样性

尽管BAs本身具有重要的抗菌作用，但BAs的微生物修饰在疾病预防和维护健康的肠道微生物组方面同样重要。胆汁酸去结合降低与几种肠易激疾病有关，如溃疡性结肠炎、克罗恩病和肠易激综合征。在饮食中添加微生物转化的BAs可以对宿主病理学产生有益影响。在小鼠模型中，LCA作为一种抗炎剂可防止结肠炎。然而，另一种次级胆酸DCA被认为是致癌物，DCA暴露与细胞凋亡增加、活性氧和活性氮产生增加有关，LCA和DCA是人类大肠癌中最常见的胆汁酸。异构化的BAs也会影响宿主健康。CDCA的7β表聚物UDCA在肠道中表现出保护作用，特别是通过抑制TNFα, IL-1β和IL-6的释放，UDCA还被批准用于治疗胆石溶解和原发性胆管炎，但高剂量UDCA(2830mg/kg/天)长期使用会导致溃疡性结肠炎和原发性硬化性胆管炎患者发生结直肠癌风险增加。MCBAs也可能在疾病机制中发挥作用，因为PheCA, TyrCA和LeuCA在炎症性肠病和囊性纤维化患者中更为普遍，产生MCBA的微生物E.bolteae可能与严重的IBD和克罗恩病有关，它被认为是转录活性最高的微生物之一，菌群失调和患病肠道中的微生物和MCBAs均升高，表明MCBAs可能与严重的IBD相关。

胆汁酸研究已经经历了几个世纪，宿主BA池控制微生物多样性， 同时BA的微生物代谢也驱动宿主生理学，BAs充当人类与其肠道微生物群之间复杂的分子媒介。宿主BA的微生物修饰机制及BA代谢在宿主健康中的作用仍需继续探索，人类BA池中MCBA的存在表明需进一步研究微生物BA修饰，扩展肠道微生物群用于与其宿主交流的化学语言。

Review: microbial transformations of human bile acids. Microbiome. 2021. 

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