膽汁酸（BAs）除了促進脂類消化吸收外，還可作為信號分子調控代謝和免疫等多種生理功能。細胞表面的Takeda G蛋白偶聯受體5（TGR5，又稱GPBAR1）是BAs的主要受體，它們在腸道、腎臟、肝臟以及中樞神經系統等部位均有表達。近些年有報道顯示，大腦中存在BAs，并與循環BAs水平高度相關，可通過被動擴散到達中樞神經系統（CNS），但人們對BAs在CNS中的生理作用卻知之甚少。來自瑞士洛桑理工學院的Kristina Schoonjans團隊發現，小鼠生理進食后BAs到達下丘腦，使下丘腦BAs濃度短時上調，特異性激活AgRP/NPY神經元膜受體TGR5的表達，進而調控小鼠食欲，揭示了BA-TGR5信號在中樞神經系統中介導的生理反饋作用。這一發現給肥胖治療提供了新思路。相關成果發表在《Nature Metabolism》。
中樞神經系統BA-TGR5信號可調控小鼠進食行為
作者首先發現野生型小鼠生理進食后，BAs進入到下丘腦，幾種內源性BAs（主要是?；撬峤Y合型）濃度短時升高。給小鼠口服混合BAs后，小鼠全天食物攝入量減少，表明CNS中由飲食介導的BAs增加可能通過激活BA受體在禁食-進食過渡期間觸發飽腹感。利用RNAscope腦表達譜發現內源Gpbar1 mRNA在控制食欲的下丘腦弓狀核（ARC）區高表達。給小鼠灌胃TGR5特異性半合成BA INT-777，發現INT-777與內源BA一樣在下丘腦迅速積累。并可在10-100 mg /kg劑量范圍內減少食物攝入，在最高劑量下，INT-777 到達下丘腦的濃度與餐后內源性BA 的濃度相當，概括了BA介導的攝食行為反饋調節所需的中樞生理濃度。在參與攝食調節的不同神經元群體中，促食欲AgRP/NPY神經元和抑食欲POMC神經元位于ARC中，靠近有孔的血腦屏障，可促進與血液的交換。ARC內神經肽表達顯示，小鼠口服或靜脈注射TGR5激動劑1 h后，Agrp和Npy mRNA水平降低，而Pomc水平不受影響。
圖1 生理喂養過程中BAs到達下丘腦，并通過TGR5抑制進食
分析野生型(Gpbar1+/+)和TGR5完全敲除型（Gpbar1?/?）小鼠的表型發現，Gpbar1?/?小鼠總進食量顯著增加、夜間進食量顯著增加，并且不能抑制Agrp和Npy –促食欲神經肽的表達，而抑食欲神經肽Pomc的表達不受影響，表明在喂食狀態下TGR5可能通過抑制AgRP/NPY而不是刺激POMC神經元來協調飽腹感。進一步分析TGR5在大腦不同細胞類型中的分布，免疫熒光分析顯示，TGR5存在于下丘腦神經元以及其他腦細胞中，包括神經膠質細胞和星形膠質細胞。用神經元特異性TGR5敲除小鼠重復該實驗發現，小鼠的總進食量和促食欲神經肽分泌量也顯著增加。
圖2 神經元中TGR5的表達，其缺失會促進食物攝入
TGR5通過抑制下丘腦AgRP/NPY神經元來抑制食物攝入
為了進一步證實上述結論，作者分別構建了AgRP和POMC神經元特異性敲除Gpbar1的小鼠模型，和野生型小鼠相比，AgRP突變小鼠在夜間進食量顯著增加，而POMC突變小鼠的進食量無變化。此外，口服INT-777后，POMC突變小鼠和野生型小鼠產生厭食反應，而這種效應在AgRP突變小鼠中顯著減弱，表明TGR5通過AgRP/NPY神經元，而不是POMC神經元來控制食物攝入。在 TGR5:GFP 小鼠中使用 Agrp RNAscope 探針和 GFP 免疫熒光共染色實驗，結果顯示，TGR5在AgRP /NPY神經元中表達。免疫熒光實驗表明，禁食動物中 INT-777 介導的 TGR5 激活顯著降低了Fos陽性AgRP/NPY神經元的百分比。這些結果表明BA-TGR5信號通過抑制下丘腦AgRP/NPY神經元中神經肽的表達來抑制進食行為。
圖3 AgRP/NPY中的TGR5選擇性缺失可消除BA衍生物誘導的飽腹感
機制探究：TGR5能瞬時性地阻斷AgRP/ NPY神經元神經肽的釋放
由于TGR5能介導快速神經元的反應，作者推斷TGR5除了抑制促食欲基因表達，還可能參與阻斷神經肽的分泌。下丘腦外植體離體實驗表明，禁食后，用INT-777激活TGR5可迅速抑制Gpbar1+/+的AgRP/NPY神經元中AgRP和NPY的釋放，但在Gpbar1-/-中無該效應。這些結果表明進食后BA-TGR5信號的生理厭食作用是通過選擇性減少AgRP/NPY分泌來實現的。
進一步探究其分子機制，作者用AgRP/ NPY陽性且表達TGR5的小鼠胚胎下丘腦細胞系mHypoE-N41 (N41)進行了一系列實驗，與體內和離體研究結果一致， INT-777處理能快速降低N41細胞中Agrp和Npy的表達，并短時阻斷了Agrp的釋放。
已有證據表明，在致密核心囊泡（DCVs）動員的早期階段，皮質肌動蛋白絲是分泌囊泡和質膜之間的主要物理屏障，肌動蛋白網絡重塑可限制不同類型細胞（包括神經元）的肽分泌。肌動蛋白的解聚合和穩定性可通過Rho–ROCK信號通路來調節。那么，TGR5是否通過Rho–ROCK–肌動蛋白軸瞬時調節神經肽的分泌？通過評估INT-777 處理后的 AgRP 和 NPY 分泌以及同時使用thiazovivin 抑制ROCK。ROCK的抑制消除了TGR5對AgRP和NPY分泌抑制。此外，用INT-777或BA混合物短期刺激TGR5可調節細胞骨架，有利于肌動蛋白纖維的穩定和聚合。與以上研究結果一致，用INT-777或BA混合物急性激活TGR5后，N41細胞內NPY小泡的積累增加、釋放明顯減少；機制上，BA-TGR5信號可以促進ROCK下游蛋白MLC和COFILIN的瞬時磷酸化進而促進肌動蛋白的穩定和聚合。這些結果表明BA-TGR5信號可以降低AgRP/NPY mRNA的豐度，并暫時阻斷AgRP/ NPY神經元中神經肽的釋放，進而抑制進食行為。
圖4 TGR5通過Rho–ROCK信號通路的短暫激活調控促食欲神經肽的釋放
小結
BAs作為多功能信號分子，調節肝腸和外周代謝器官之間的交流，近些年研究表明BAs在全身代謝和免疫調節方面具有重要作用。本研究發現BA-TGR5信號軸不僅在疾病中起重要作用，而且在進食行為的生理控制中也起著重要作用。BAs在下丘腦中通過結合AgRP/NPY神經元上的TGR5受體抑制AgRP/NPY mRNA表達和神經肽釋放，從而抑制進食行為，揭示了BAs在神經調節方面的新功能。
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參考文獻
Alessia Perino, et al. Central anorexigenic actions of bile acids are mediated by TGR5. Nature Metabolism, VOL 3 , MAY 2021 ,595–603.
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