膽汁酸（BAs），傳統(tǒng)以其作為腸道脂質(zhì)乳化劑的作用而聞名，最近已被證實(shí)為具有多效性有益作用強(qiáng)大的激素，對(duì)多因素疾病產(chǎn)生重大影響。由于BAs的組成和濃度在餐后會(huì)發(fā)生明顯改變，能通過協(xié)調(diào)激活FXR和TGR5受體幫助營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)全身性的整合分布，因而被認(rèn)為是多功能的內(nèi)分泌因子。盡管BAs在全身生理學(xué)中起著至關(guān)重要的作用，但控制它們代謝和信號(hào)傳導(dǎo)的遺傳和環(huán)境因子仍有待深入的理解。
近日，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Kristina Schoonjans教授團(tuán)隊(duì)基于36種BXD品系的小鼠，通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)和系統(tǒng)遺傳學(xué)方法首次揭示了控制膽汁酸穩(wěn)態(tài)改變的遺傳和環(huán)境調(diào)控因子，鑒定出羧酸酯酶1c (Ces1c)是血漿牛磺酸去氧膽酸(TUDCA)豐度的新型調(diào)節(jié)劑，TUDCA是一種具有疾病調(diào)節(jié)作用的BA；并使用獨(dú)立小鼠離系多樣性（DO）隊(duì)列和基因敲除小鼠驗(yàn)證二者間相關(guān)性，為膽汁酸穩(wěn)態(tài)的遺傳和環(huán)境調(diào)控機(jī)制提供了新的見解，相關(guān)研究成果發(fā)表于Cell Metabolism。
摘要
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及動(dòng)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(guān)聯(lián)性的重要工具, 其包括BXD（由C57BL/6J和DBA/2結(jié)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(yǎng)正常飲食（CD）或高脂飲食（HFD），20周齡時(shí)，口服試驗(yàn)餐丸并在3個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)(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(jié)果表明HFD飲食顯著增加了大多數(shù)品系小鼠體重、血糖及脂肪；不同品系小鼠在飲食相同時(shí)仍出現(xiàn)顯著表型差異，表明遺傳因素對(duì)該過程同樣具有重要影響。
圖1 . BXD隊(duì)列小鼠的表型分析
多組學(xué)分析BXD隊(duì)列的餐后BAs
研究團(tuán)隊(duì)分別收集360只小鼠的肝臟、糞便、血漿的樣本采用穩(wěn)定同位素稀釋質(zhì)譜法進(jìn)行27種餐后膽汁酸檢測(cè)，結(jié)果顯示餐后BAs組成及豐度在肝臟、糞便和血漿呈現(xiàn)顯著差異——肝臟以牛磺酰共軛的初級(jí)BAs為主，糞便以BAs的次級(jí)代謝物為主，血漿表現(xiàn)為二者的混合，表明肝臟和糞便存在區(qū)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(lián)的初級(jí)BAs的比例相對(duì)較高(圖2B-2C)，結(jié)果表明遺傳背景差異可能是導(dǎo)致BAs重吸收、生態(tài)失調(diào)或去結(jié)合的原因。
圖2 . 跨品系、飲食和生物區(qū)室的BAs多樣性
遺傳和環(huán)境對(duì)BAs豐度和組成的影響
研究人員通過計(jì)算遺傳率探究遺傳和飲食對(duì)BAs種類及豐度的影響。結(jié)果顯示，大多數(shù)BAs的遺傳率超過0.5，表明BAs受到很強(qiáng)的遺傳影響；并且在不同的區(qū)室中解釋率存在差異——遺傳僅占血漿TαMCA貢獻(xiàn)率的30%，而糞便中DCA的遺傳貢獻(xiàn)率為90%。相較而言，糞便會(huì)比肝臟和血漿具有更明顯的飲食效果——HFD飲食導(dǎo)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(yàn)證環(huán)境對(duì)餐后BAs的穩(wěn)態(tài)的影響，并揭示了BAs對(duì)HFD的響應(yīng)受品系遺傳背景的影響，且在BAs種類和生物區(qū)室之間存在差異。
圖3. 遺傳和飲食因素對(duì)餐后BAs水平的影響
系統(tǒng)遺傳學(xué)分析揭示BAs穩(wěn)態(tài)的潛在決定因素
為了確定調(diào)節(jié)BAs穩(wěn)態(tài)的遺傳機(jī)制，研究人員利用整合系統(tǒng)方法通過定量性狀位點(diǎn)(QTL)定位，確定了數(shù)百個(gè)與BAs相關(guān)的QTL位點(diǎn)，并對(duì)血漿中最顯著的牛磺酰脫氧膽酸（TUDCA）QTL進(jìn)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(diào)節(jié)劑(圖5C-D)，利用人類和小鼠肝臟的單細(xì)胞RNA測(cè)序(scRNA-seq)數(shù)據(jù)集，Ces1c在合成BAs的肝細(xì)胞中表達(dá)最為豐富，利用最近來自小鼠肝臟的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)集(Cho etal.，2021)，進(jìn)一步確定該基因座位點(diǎn)中Ces1c是肝中心周圍細(xì)胞中表達(dá)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(diào)節(jié)劑。
圖4. BAs調(diào)控因素的遺傳圖譜
圖5. BAs調(diào)節(jié)劑的遺傳圖譜及Ces1c的鑒定
獨(dú)立隊(duì)列樣本及Ces1c-/-敲除小鼠基因功能驗(yàn)證
通過獨(dú)立小鼠隊(duì)列和Ces1c-/-敲除小鼠模型驗(yàn)證Ces1c和TUDCA之間的相關(guān)性。作者檢索了從384只DO小鼠(Kemis etal，2019)中獲得的已發(fā)表的BA數(shù)據(jù)，作為一個(gè)獨(dú)立的驗(yàn)證隊(duì)列。在DO隊(duì)列中，作者在8號(hào)染色體上的同一位點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著的血漿TUDCA 相關(guān)QTL(圖6A)，證實(shí)了該遺傳位點(diǎn)與血漿TUDCA之間存在很強(qiáng)的保守遺傳關(guān)聯(lián)。此外，作者還構(gòu)建Ces1c基因敲除小鼠模型， 結(jié)果顯示，Ces1c-/-敲除小鼠的血液中TUDCA水平顯著降低（圖6I），再次驗(yàn)證了Ces1c是TUDCA的關(guān)鍵調(diào)控基因。
圖6. CES1C與TUDCA關(guān)聯(lián)驗(yàn)證
結(jié)論
本研究從遺傳參考小鼠隊(duì)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(guān)生物區(qū)系中的組成和豐度變化，揭示了BAs穩(wěn)態(tài)調(diào)控的遺傳和環(huán)境因子；鑒定并驗(yàn)證CES1C作為TUDCA血漿水平的新型調(diào)節(jié)因子，該研究為了解BAs穩(wěn)態(tài)及其對(duì)代謝健康和疾病的影響奠定了基礎(chǔ)，并為相關(guān)疾病的預(yù)防和治療提供潛在靶點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
Integrative systems analysis identifies genetic and dietary modulators of bile acid homeostasis. Cell Metabolism. 2022.
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