膽汁酸（BAs），傳統以其作為腸道脂質乳化劑的作用而聞名，最近已被證實為具有多效性有益作用強大的激素，對多因素疾病產生重大影響。由于BAs的組成和濃度在餐后會發生明顯改變，能通過協調激活FXR和TGR5受體幫助營養物質全身性的整合分布，因而被認為是多功能的內分泌因子。盡管BAs在全身生理學中起著至關重要的作用，但控制它們代謝和信號傳導的遺傳和環境因子仍有待深入的理解。
近日，來自瑞士洛桑聯邦理工學院的Kristina Schoonjans教授團隊基于36種BXD品系的小鼠，通過轉錄組學和系統遺傳學方法首次揭示了控制膽汁酸穩態改變的遺傳和環境調控因子，鑒定出羧酸酯酶1c (Ces1c)是血漿?；撬崛パ跄懰?TUDCA)豐度的新型調節劑，TUDCA是一種具有疾病調節作用的BA；并使用獨立小鼠離系多樣性（DO）隊列和基因敲除小鼠驗證二者間相關性，為膽汁酸穩態的遺傳和環境調控機制提供了新的見解，相關研究成果發表于Cell Metabolism。
摘要
實驗設計及動物表型
小鼠遺傳參考種群（Genetic reference population, GRP）是用來探索基因和表型關聯性的重要工具, 其包括BXD（由C57BL/6J和DBA/2結交培育）、Diversity outbred (DO)、Collaborative Cross (CC)等品系。本研究使用36種BXD品系小鼠（約360只）作為遺傳模型，通過喂養正常飲食（CD）或高脂飲食（HFD），20周齡時，口服試驗餐丸并在3個不同時間點(灌胃前和灌胃后30或60分鐘)分析餐后BAs、體重和血糖水平，結果表明HFD飲食顯著增加了大多數品系小鼠體重、血糖及脂肪；不同品系小鼠在飲食相同時仍出現顯著表型差異，表明遺傳因素對該過程同樣具有重要影響。
圖1 . BXD隊列小鼠的表型分析
多組學分析BXD隊列的餐后BAs
研究團隊分別收集360只小鼠的肝臟、糞便、血漿的樣本采用穩定同位素稀釋質譜法進行27種餐后膽汁酸檢測，結果顯示餐后BAs組成及豐度在肝臟、糞便和血漿呈現顯著差異——肝臟以?；酋９曹椀某跫塀As為主，糞便以BAs的次級代謝物為主，血漿表現為二者的混合，表明肝臟和糞便存在區室隔斷，血漿是連接二者的橋梁。與C57BL/6J和BXD84相比，DBA/2J和BXD27在糞便中偶聯的初級BAs的比例相對較高(圖2B-2C)，結果表明遺傳背景差異可能是導致BAs重吸收、生態失調或去結合的原因。
圖2 . 跨品系、飲食和生物區室的BAs多樣性
遺傳和環境對BAs豐度和組成的影響
研究人員通過計算遺傳率探究遺傳和飲食對BAs種類及豐度的影響。結果顯示，大多數BAs的遺傳率超過0.5，表明BAs受到很強的遺傳影響；并且在不同的區室中解釋率存在差異——遺傳僅占血漿TαMCA貢獻率的30%，而糞便中DCA的遺傳貢獻率為90%。相較而言，糞便會比肝臟和血漿具有更明顯的飲食效果——HFD飲食導致糞便中BAs有所增加伴隨部分品系的血漿BAs豐度減小，再次驗證環境對餐后BAs的穩態的影響，并揭示了BAs對HFD的響應受品系遺傳背景的影響，且在BAs種類和生物區室之間存在差異。
圖3. 遺傳和飲食因素對餐后BAs水平的影響
系統遺傳學分析揭示BAs穩態的潛在決定因素
為了確定調節BAs穩態的遺傳機制，研究人員利用整合系統方法通過定量性狀位點(QTL)定位，確定了數百個與BAs相關的QTL位點，并對血漿中最顯著的?；酋Ｃ撗跄懰幔═UDCA）QTL進行基因鑒定，使用GeneBridge等綜合方法，作者確定了戊二酰輔酶a脫氫酶(Gcdh)、羧酸酯酶1b (Ces1b)和羧酸酯酶1c (Ces1c) 3種潛在的TUDCA調節劑(圖5C-D)，利用人類和小鼠肝臟的單細胞RNA測序(scRNA-seq)數據集，Ces1c在合成BAs的肝細胞中表達最為豐富，利用最近來自小鼠肝臟的空間轉錄組學數據集(Cho etal.，2021)，進一步確定該基因座位點中Ces1c是肝中心周圍細胞中表達最好且最顯著的基因，最終鎖定羧酸酯酶1c（Ces1c）基因是最有可能的血漿TUDCA調節劑。
圖4. BAs調控因素的遺傳圖譜
圖5. BAs調節劑的遺傳圖譜及Ces1c的鑒定
獨立隊列樣本及Ces1c-/-敲除小鼠基因功能驗證
通過獨立小鼠隊列和Ces1c-/-敲除小鼠模型驗證Ces1c和TUDCA之間的相關性。作者檢索了從384只DO小鼠(Kemis etal，2019)中獲得的已發表的BA數據，作為一個獨立的驗證隊列。在DO隊列中，作者在8號染色體上的同一位點上發現了一個顯著的血漿TUDCA 相關QTL(圖6A)，證實了該遺傳位點與血漿TUDCA之間存在很強的保守遺傳關聯。此外，作者還構建Ces1c基因敲除小鼠模型， 結果顯示，Ces1c-/-敲除小鼠的血液中TUDCA水平顯著降低（圖6I），再次驗證了Ces1c是TUDCA的關鍵調控基因。
圖6. CES1C與TUDCA關聯驗證
結論
本研究從遺傳參考小鼠隊列（BXD）中分析了小鼠肝臟、糞便、血漿樣本的餐后BAs在生理相關生物區系中的組成和豐度變化，揭示了BAs穩態調控的遺傳和環境因子；鑒定并驗證CES1C作為TUDCA血漿水平的新型調節因子，該研究為了解BAs穩態及其對代謝健康和疾病的影響奠定了基礎，并為相關疾病的預防和治療提供潛在靶點。
參考文獻
Integrative systems analysis identifies genetic and dietary modulators of bile acid homeostasis. Cell Metabolism. 2022.
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