盡管膽汁的書面記錄可追溯到古埃及時期，但直到20世紀BAs化學結構才被解析出來。麥特繪譜創始人賈偉院士帶領的研究團隊是國內開展膽汁酸研究最早的團隊之一，早在2008年賈偉教授團隊就提出前瞻觀點-菌群代謝物是多疾病干預靶點。一直以來研究團隊聚焦膽汁酸國際前沿領域，已發現膽汁酸與菌群的平衡在全身各個器官的代謝和免疫穩態調控中均發揮重要作用，可作為肥胖、糖尿病、消化道腫瘤及神經退行性疾病等多種臨床疾病的干預靶點。系列觀點發表在Nature Reviews Drug Discovery(2008)、Science(2012)、Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology(2018)、Protein & Cell(2020)、SCIENCE CHINA Life Sciences(2023)等國際權威學術期刊，為賈偉教授團隊的膽汁酸功能應用研究成果和后續國內外諸多學者膽汁酸相關研究奠定了堅實的基礎，成為膽汁酸研究領域的重要標桿。
經過多年深厚的學術研究積累。2024年10月13日，上海交通大學賈偉教授、趙愛華研究員等研究團隊在iMeta在線發表了題為“Novel microbial modifications of bile acids and their functional implications”的文章。重點概述新的膽汁酸微生物修飾，強調這些膽汁酸在生物學上的作用以及它們對膽汁酸治療領域未來候選藥物的深遠意義。
要點薦讀
膽汁酸（BAs）在促進小腸脂肪的消化和吸收，以及通過信號通路調節脂質和糖代謝、炎性、能量代謝方面發揮著至關重要的作用。這些由膽固醇衍生的生物分子在肝臟中合成，并在腸道微生物的作用下經歷四種主要的修飾：去結合、7a-脫羥基、氧化和異構化。最近的研究把膽汁酸的重新結合產物作為第五種微生物的修飾，這為這些過程及對宿主的生物學意義提供了新的思路。近年來，人們對微生物的7α-脫羥基修飾和膽汁酸差向異構體的產生及生物作用的理解也顯著加深。另外，豬膽酸（HCA）和豬去氧膽酸（HDCA）在代謝性疾病中的作用已經引起了研究者的巨大興趣。本綜述旨在鞏固關于新型BAs分子的最新研究成果，評估其對新的治療干預措施進展的潛在影響，為指導未來的藥物創新工作提供有價值的見解。
腸道微生物驅動的BA-24-酰胺及它們的生物作用
自從2020年Pieter C. Dorrestein研究組鑒定了被腸道微生物修飾的3個新的膽酸（CA）24位與氨基酸的結合物，到現在已發現了超過200種的氨基酸與膽汁酸的結合物。
研究顯示，腸道的各種微生物，包括來自擬桿菌屬、乳酸菌屬、雙歧桿菌屬、產氣腸桿菌屬、瘤胃球屬和梭菌屬的微生物參與了催化初級和次級膽汁酸與氨基酸的結合。膽鹽水解酶（BSH）被認為是催化與甘氨酸、?；撬峤Y合的膽汁酸水解的酶，它在膽汁酸的重新?；幸舶l揮重要的作用。另外，即使其中不含bsh基因的微生物，如Clostridium scindens ATCC 35704也可以催化氨基酸與膽汁酸的結合。
圖1. 人腸道中腸道微生物驅動的膽汁酸修飾
腸道微生物通過4種主要途徑轉化膽汁酸：去結合（去除甘氨酸或牛璜酸）、7α-脫羥基、氧化和異構化。第五種微生物修飾—重新結合，包括在C-24位上與氨基酸或多胺形成膽汁酸-24-酰胺，在C-3位與脂肪酸或有機酸形成膽汁酸-3-O-?；?/strong>。黑色箭頭表示膽汁酸的轉化過程。特別地，結合型膽酸（CA）/鵝去氧膽酸（CDCA）經過去結合形成非結合的CA/CDCA。CA/CDCA經7α-脫羥基主要產生去氧膽酸（DCA）和石膽酸（LCA）及副產物alloDCA/alloLCA，這個過程也包含了3-酮-DCA/3-酮-LCA和isoDCA/ isoLCA的形成。DCA/LCA進一步被微生物酶催化產生3-酮-DCA/3-酮-LCA，并異構化形成isoDCA/isoLCA, epiDCA，以及alloDCA/alloLCA。異構化過程是雙向的。另外，CA/DCA也可以腸道微生物氧化和異構化。綠色、紫色、粉紅色和紅色圓圈表示在前面所提到的迄今為止所發現的五種微生物代謝酶。BSH，膽鹽水解酶；BaiB，膽汁酸輔酶A連接酶；BaiA，3α-羥固醇脫氫酶；BaiCD, 3-脫氫-Δ4-7α-氧化還原酶；BaiE, 7α-脫水酶；BaiF, 輔酶A轉移酶；BaiH, 3-脫氫-Δ4-7β-氧化還原酶；BaiP/J, 5α-還原酶。
與氨基酸結合的膽汁酸在有大量微生物存在的小鼠盲腸、盲腸內容物、結腸內容物和糞便中含量豐富，但由于體外產的這類氨基酸結合膽汁酸量很低，在肝臟、小腸和血清中很少能被檢出。盡管如此，與氨基酸結合的膽汁酸也可以進入腸肝循環，丙氨酸CA、精氨酸CA、谷氨酸CA、亮氨酸CA、苯丙氨酸CA、5-羥色氨酸CA、蘇氨酸CA和酪氨酸CA在整個腸道以及肝臟、腎臟、血清和膽囊中均能被觀察到，高含量的苯丙氨酸CA、5-羥色氨酸CA在所有組織、器官中均被發現有存在。
在克羅恩患者糞便中的丙氨酸CA、酪氨酸CA和亮/異亮氨酸CA含量增高，但在潰瘍性結腸炎中并不增高，這提供了一種潛在的區分炎性腸炎類型的方法(IBD) 。并且，氨基酸結合膽汁酸可能通過調節T細胞產生IFNg以及激活孕甾烷X受體（PXR）促進腸炎。苯丙氨酸CA和酪氨酸CA可以激活人法尼醇X受體（FXR），提高在肝臟中膽汁酸合成的FXR的靶基因的表達。鵝脫氧膽酸的結合物是人FXR的主要激動劑，可以激活PXR和芳基炔受體（AHR）的轉錄表達。
多胺結合膽汁酸是另一類型的膽汁酸-24-酰化物。最近Pieter C. Dorrestein’s研究組發現胍丁胺、腐胺、N-乙酰精胺、尸胺、N-乙酰尸胺、N-氨基甲酰-尸胺、亞精胺、N-乙酰亞精胺、 N-乙酰精胺、N-乙酰尸胺和1,3-丙二胺均可分別與膽汁酸形成多胺膽汁酸結合物。該類膽汁酸的含量可隨地中?；蛘叩湫兔绹嬍吵霈F不同。
腸道微生物驅動的膽汁酸-3-O-酰基酯和它們的生物作用
最新的研究在人和鼠的糞便中鑒定出CA和CDCA，以及它們主要的次級膽汁酸脫氧膽酸（DCA）、石膽酸（LCA）、異DCA、異LCA，與從C1:0到C5:0的短鏈脂肪酸，主要為C16:0和C18:0的長鏈脂肪酸形成的膽汁酸-3-O-?；?/strong>。并且，膽汁酸也可以與二元酸形成酯。當CDCA和3-酮-CDCA與腸道微生物培養時，有兩個纈氨酸膽汁酸的結合物被鑒定成酰基酯類，而不是酰胺類結合物。擬桿菌屬菌被鑒定為在腸道細菌中膽汁酸酯化的主要細菌。體外研究顯示，11種細菌具有催化短鏈脂肪酸與CA的結合，Christensenella 具有轉化所有短鏈脂肪與CA的結合。姜長濤研究團隊發現BAS-琥珀酸，一種在單形擬桿菌中負責琥珀酸與CA酯化的b-內酯酶。
膽汁酸-3-O-酰基酯表現出腸道特異性分布的特點，這種特異性是由于在十二指腸內容物中有一定程度的降解，從而阻止了其被吸收入血，它們生物分布的詳細機制有待于進一步的研究。研究顯示，3-O-酯-CAs，包括3-乙酰-、3-丙酰-、3-丁酰-、3-戊酰CA在二型糖尿?。═2D）人中被耗竭，提示它們在改善T2D中的治療潛力。給代謝異常相關的脂肪性肝炎（MASH）小鼠3-琥珀酰CA具有促進嗜黏蛋白阿卡曼菌生長有效緩解癥狀的作用，提示它作為一種小分子治療藥物的潛力。BA-3-O-?；狨ナ侵委煷x性疾病的一種很有前途的候選小分子代謝物，但還需要進一步的研究來充分了解其機制和潛在的治療應用。
圖2. 腸道微生物驅動的膽汁酸在受體中的調節作用
3-O-acyl-CAs, 3-acetylCA (acCA), 3-propionylCA (proCA), 3-butyrylcholic acid (butyCA), 和3-valerylCA (valCA)是法尼醇X受體（FXR）的拮抗劑。Phenylalano-CA (pheCA) and tyrosoCA (tyrCA)激活FXR調節膽汁酸（BA）的生物合成基因。GlutamatoCA (GluCA) 和glutamatoCDCA (gluCDCA) 激活孕甾烷X受體(PXR) 和芳基炔受體（AHR）上調膽固醇-3a-羥基酶1a (cyp3a1), 膽固醇-1a-羥基酶 (cyp1a1)，和膽鹽水解酶的表達。3-Ketolithocholica acid (3-ketoLCA) 和 isolithocholic acid (isoLCA) 抑制類視黃醇相關孤兒受體-γt（RORγt）,抑制T helper 17 (TH17) 細胞的分化。IsoalloLCA連接核受體4A1（NR4A1），上調叉頭盒蛋白3 (Foxp3)的表達，進一步促進T 調節 (Treg)細胞的分化。3-酮-LCA激活維生素D受體，調節RORγt+ Treg的功能。豬膽酸（HCA）和豬去氧膽酸（HDCA）抑制FXR信號，促進胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）的產生和分泌。HDCA抑制FXR，下調Fgf15表達，增加CYP7B1的表達，同時下調肝臟膽固醇轉運體Abcg5/g8基因的表達。HDCA擾亂ras-相關核蛋白/m染色體區域維持過氧化物酶體增殖物激活受體α(RAN/CRM1/PPARα)，加強PPARα的核分布，從而推動脂肪酸氧化和抑制炎性。HCA激活腎肝受體（LXR），下調甾醇調節元件結合蛋白2(SREBP2)、轉化生長因子β（TGF-β）和核因子κB (NF-κB)。HCA和HDCA在腸道激活G偶聯蛋白BA受體（TGR5），推動GLP-1的產生和分泌。并且HDCA在腦中激活TGR5，下調蛋白激酶B（AKT）和NF-κB信號通路。HDCA直接與toll受體4/髓系分化因子2(TLR4/MD2)復合體相互作用，競爭性抑制脂多糖（LPS）連接到TLR4/MD2。淺紅色邊表示受體被激活，深綠色則表示受體被抑制。
腸道微生物驅動的7a-脫羥基和生物免疫作用
7a-脫羥基一直被認為是一種基本的腸道微生物生物轉化作用，然而，直到2020年膽汁酸的7a-脫羥基，即Hylemon-Björkhem途徑才被明確。這條途徑涉及到A/B環的立體異構，還有3-氧化和3-表異構化，導致alloBAs、isoalloBAs、3-酮-BAs和isoBAs異構體的產生。膽汁酸結構多樣化是由一系列酶反應所驅動的。
DCA和LCA的異構體isoDCA和isoLCA也可以由兩步過程產生，涉及到DCA和LCA的C-3位羥基異構化。首先由3α-羥固醇脫氫酶 (3α-HSDH)氧化C-3羥基，接著被3b-HSDH酶還原產生isoDCA和isoLCA。放線菌門和厚壁門的各種腸道微生物具有3α-HSDH酶，Gordonibacter pamelaeae, Eggerthella lenta, Clostridium citroniae和Ruminococcuse gnavus均有3β-HSDH酶。同樣，DCA被12α-HSDH轉化為12-酮-LCA，緊接著12β-HSDH酶催化12-酮-LCA為epiDCA 。
最近的研究指出，isoalloLCA和3-酮-LCA能促進T調節細胞（Treg）的分化，同時阻止T輔助細胞（TH17）的分化。IBD病人的isoalloLCA、isoLCA水平，及它們生物合成基因普遍低于對照組。
另外，isoDCA可以減少樹突狀細胞的炎性，推動Treg細胞的產生，以維持腸道免疫的平衡。isoDCA和isoLCA可以通過促進Treg細胞的分化，阻止TH17的發展，輔助IBD的治療。在日本百歲老人中發現Iso-、3-酮-、allo-、3-酮-allo-和 isoalloLCA的含量富集，isoalloLCA能對抗革蘭氏陽性多藥耐藥病原體，這與病原體感染的風險有關。
HCA類膽汁酸在代謝性疾病中的作用
人們對HCA類的膽汁酸的生物活性和機制越來越感興趣，這類膽汁酸包括HCA、HDCA及其各自與甘氨酸和牛磺酸的結合物。這類在人體中稀有的膽汁酸的生物合成和機制至今還不十分清楚。
我們研究團隊的前期工作揭示了HCA類膽汁酸是糖尿病預測的生物標志物和一種非常有前途的多靶點治療藥物。HCA類膽汁酸通過激活G偶聯蛋白BA的受體（TGR5），并抑制FXR信號通路，促進胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）的生成和分泌，有效調節血糖平衡。此外，我們的研究還發現在代謝異常相關的肝?。∕AFLD）血清中HCA水平降低，特別是HDCA和甘氨結合HDCA的降低。并且，HDCA能通過抑制腸道FXR促進肝臟替代途徑BA的合成，同時通過調節腸道細菌激活過氧化物酶體增殖物激活受體a（PPARα）的信號通路抑制經典途徑的BA合成。另外，HDCA在肝細胞內與ras相關的核蛋白結合，升高PPARα水平，增加脂肪酸的氧化，從而減少炎性，改善MAFLD。
此外，HDCA還具有其它一些有益的作用，包括抑制膽固醇結石、減緩炎癥防止膿毒癥、預防中樞神經炎癥。HCA能降低腎結石的生成和積累、減輕高能量飲食導致的神纖維化、改善脂質代謝紊亂和免疫反應。
發現新型膽汁酸的代謝組學技術
新型膽汁酸的發現依賴于先進的代謝組學技術。非靶向的代謝譜與公共數據庫搜索相結合，如GNPS和BAFinder，研究者們能識別出具有獨特母核環的BA衍生物。靶向代謝組學定量已知的BAs，但它在鑒別新的BA成分方面的有效性可能會受到依賴現有知識和參考標準可用性的限制。
反向代謝組學是一種發現新型代謝物的新技術。當使用非靶向代謝組學篩選生物樣本時，將所有代謝物特征與公共數據庫和新合成的代謝物進行比較，可以揭示與特定表型、物種和樣本類型相關的潛在代謝物?；诒Ａ魰r間的注釋策略和離子趟渡譜能有效的用于解釋在BA?；镏械漠悩嬻w和差向異構體。且培養組學與代謝組學相結合被證明是一種在生物樣本中發現新型膽汁酸的成功方法。質譜查詢語言 (MassQL)、 小分子鑒定可信度(COSMIC)以及其它質譜分析方法是發現新型膽汁酸所必須的工具。
未來膽汁酸研究和新藥發現的展望
過去五年里通過質譜技術、公共數據庫搜索和生物信息計算工具相結合的方法，發現超過250個新的腸道微生物修飾的膽汁酸。隨著人工智能技術（AI）在生物醫學領域中的推廣運用，我們預計AI可以促進大量以前未知的膽汁酸類型的篩選，并探索膽汁酸修飾的特定微生物群。AI還可以預測參與膽汁酸代謝的酶的功能，揭示膽汁酸新的修飾途徑，甚至重塑已知的微生物代謝途徑。并且，因為細菌和真菌均可以修飾膽汁酸，探索真菌對膽汁酸的修飾很可能會是該領域未來廣闊的研究前景，我們可以更全面地了解腸道微生物群和宿主健康之間的復雜相互作用。
膽汁酸作為一種內源性配體，為開發具有增強活性的半合成衍生物奠定了堅實的基礎，使其成為候選藥物篩選的先導化合物。例如，INT-787目前正在進行治療嚴重性酒精性肝炎的II期臨床試驗；EDP-305是奧貝膽酸的側鏈衍生物，是一種很有希望的FXR激動劑，目前正在評估其治療MASH的潛力；Aramchol是一種由Galmed制藥公司開發的硬脂酰輔酶A去飽和酶1抑制劑，正處于用于MASH和肝纖維化的III期臨床試驗階段；HTD1801（即小檗堿熊去氧膽酸鹽）正在進行多種適應癥的臨床試驗，包括MASH、T2D、嚴重高甘油三酯血癥、原發性硬化性膽管炎和原發性膽道膽管炎。
從這些臨床試驗中，我們可以推斷微生物對BA母核的修飾，可以增強或改變BA衍生物與宿主體內受體的親和力，從而產生新的生物活性。重要的是這為未來發現新的候選藥物提供了先導化合物，接下來的研究有望揭示這些改變在不同健康條件下的額外變化，從而增強我們對它們在身體功能中的多方面作用的理解。
結論
膽汁酸的研究揭示了宿主和微生物群之間復雜的相互作用，同時也揭示了這種相互作用如何深遠地影響宿主代謝。利用先進的分析技術和代謝組學技術，研究人員可以加速對以前未發現的膽汁酸微生物修飾的探索，并有效篩選出潛在的新候選藥物。
衷心感謝本文作者及團隊授權并為麥特繪譜公眾號文獻解讀供稿，您的專業成果與深刻見解為廣大研究者帶來了寶貴的知識財富，開啟了膽汁酸研究的全新視野。
原文信息
Zheng D, Zhang H, Zheng X, Zhao A, Jia W. Novel microbial modifications of bile acids and their functional implications. iMeta. 2024.
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