李佳佳，楊 彪，陳明星，吳建云

(西南大學 動物科技學院，重慶 400715)

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要的抑制性神經(jīng)遞質，由谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase，GAD)催化L-谷氨酸發(fā)生脫羧反應生成的一種非蛋白質氨基酸(C4H9NO2)。GABA受體包括GABAA、GABAB、GABAC等3種類型。GABA不僅存在于腦組織中，在肝臟、腎臟、胃、小腸以及生殖器官等許多外周組織中都有GABA表達[1-2]。近年來的研究表明，腸道菌群在調節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)生理[3]、焦慮[4]、抑郁[5-6]、內臟疼痛[7]和社會行為認知[8-10]等多方面發(fā)揮著重要作用。據(jù)報道，腸道菌群尤其是乳酸菌和雙歧桿菌可產(chǎn)生大量的GABA，這些GABA與食欲[11]、睡眠[12]、精神抑郁[13]和糖尿病[14]等密切相關。腸道菌群產(chǎn)生的GABA通過調節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)、血液代謝和黏膜免疫等作用于機體?，F(xiàn)主要就來源于腸道菌群的GABA對機體的調節(jié)機制進行綜述，為GABA、腸道菌群的基礎研究以及臨床應用提供參考依據(jù)。

1 合成GABA的腸道菌群種類

在胃腸道中，寄生了約100萬億、近1 150種微生物[15]，包括細菌、病毒、噬菌體、寄生蟲和真菌等。其中，細菌的種類高達300～1 000種，以厚壁菌門和擬桿菌門細菌占較大比例，放線菌門、變形菌門和疣微菌門細菌次之[16]，這些細菌在很大程度上影響著整個菌群的功能，各菌之間相互制約，相互依存，決定著菌群對宿主的生理、病理作用。研究發(fā)現(xiàn)，有多種能夠合成GABA的腸道細菌，其中乳酸菌和雙歧桿菌是產(chǎn)生GABA的主要腸道細菌[17-20]。由于天然動植物性食品中GABA的含量較低，能夠產(chǎn)生GABA的腸道菌群，特別是乳酸菌和雙歧桿菌等食品級的有益菌越來越受到重視。

2 腸道菌群對GABA的合成作用

細菌GABA由gadB和gadC基因編碼的GAD催化合成，細胞通過特異的轉運體攝入谷氨酸，在細胞內經(jīng)過不可逆的L-谷氨酸脫羧和消耗一分子胞內質子生成GABA，再由GABA反向轉運體排出胞外[21]。人類大部分腸道菌群中都含有編碼GAD的基因[19]，而乳酸菌中的植物乳酸桿菌(L.plantarum)、副干酪乳桿菌(L.paracasei)和乳酸乳球菌均有產(chǎn)生谷氨酸的能力[22]。研究發(fā)現(xiàn)，植物乳酸桿菌(L.plantarum)、青春型雙歧桿菌(B.adolescentis)、嬰兒雙歧桿菌(B.angulatum)均被報道能夠產(chǎn)生GABA，并且這些細菌中都含有編碼GAD的gadB和gadC基因[17]。同時，細菌生成GABA消耗的胞內質子使得細菌pH值升高，這讓胃腸道內形成了一個良好的微酸性環(huán)境，可保護細菌在胃酸等強酸性環(huán)境中存活并在小腸中定植下來。

宿主通過攝入益生菌或腸道微生物直接利用飲食中的谷氨酸鈉(monosodium glutamate，MSG)生成GABA。BARRETT等[20]研究發(fā)現(xiàn)，腸原性短乳桿菌(L.brevis) DPC6108菌株能將90%的MSG轉化為GABA，而齒雙歧桿菌(B.dentium)對MSG也具有較高的轉化能力[17]。

3 源于腸道菌群GABA對機體的調節(jié)

腸道菌群產(chǎn)生的GABA，可以通過作用于神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、腸道菌群以及腸道免疫等不同途徑(圖1)，發(fā)揮對機體的多方面調節(jié)。

3.1 神經(jīng)通路途徑胃腸道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間可通過腸神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system，ENS)相互影響。ENS由2～6億個神經(jīng)元組成，被稱為“第二大腦”。研究發(fā)現(xiàn)，在ENS的肌間神經(jīng)叢和黏膜下神經(jīng)叢中存在GABA能信號系統(tǒng)，包括GABAA、GABAB受體和GABA轉運體(γ-aminobutyric acid transporter，GAT)[23-24]。ENS中約有20%的神經(jīng)元為初級傳入神經(jīng)元，微生物產(chǎn)生的GABA能信號可能通過這些傳入神經(jīng)元作用于脊神經(jīng)和迷走神經(jīng)調節(jié)中樞活動，緩解精神焦慮、抑郁和內臟疼痛等疾病。

圖1 源于腸道菌群的GABA對機體的調節(jié)途徑

3.1.1脊神經(jīng) 背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglia，DRG)是感覺傳導的初級神經(jīng)元，能將來自身體感受器的神經(jīng)沖動傳送到脊髓，作為痛覺傳入的第一站，是神經(jīng)病理性疼痛治療的重要靶區(qū)。給內臟疼痛的大鼠添加B.dentium后發(fā)現(xiàn)[19]，B.dentium在結腸內生成了大量的GABA，GABA抑制了腸道感覺神經(jīng)元的興奮性，使背根神經(jīng)節(jié)敏感性降低，痛覺傳輸受到了抑制。腸道菌群產(chǎn)生的GABA能夠與腸道痛覺感受器的傳入神經(jīng)末梢上的GABAA受體結合，去極化后產(chǎn)生抑制作用，使DRG神經(jīng)元投射到特殊傷害感受型神經(jīng)元(nociceptive specific，NS)的神經(jīng)遞質減少[25]。另外，GABA還可直接通過激活DRG神經(jīng)元上的代謝型GABAB受體而直接發(fā)揮抑制作用[19]。B.dentium和其他產(chǎn)生GABA的腸道微生物未來可能成為治療復發(fā)性腹痛和功能性腸病的潛在方法。

3.1.2迷走神經(jīng) 迷走神經(jīng)是腦神經(jīng)中行程最長，分布范圍最廣的1對混合神經(jīng)，其內臟感覺神經(jīng)纖維主要支配胸腹腔臟器的感覺沖動，部分神經(jīng)末梢直接或間接支配著胃腸道壁的感覺信號傳入，感覺信號經(jīng)迷走神經(jīng)傳入腦干的孤束核(nucleus tractus solitarius，NTS)。研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠胃腸道迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)元-結狀神經(jīng)節(jié)(nodose ganglion，NG)部位，含有編碼GABA受體的基因，刺激迷走神經(jīng)外周端可使大腦皮質GABAA受體和GAD陽性細胞數(shù)量增加，迷走神經(jīng)感知腸道中的GABA信號并將信號傳遞至大腦[26-29]。鼠李糖乳桿菌(JB-1)也是一種能夠合成GABA的腸道細菌[30]。研究發(fā)現(xiàn)，飼喂JB-1后，小鼠大腦皮層GABAB受體亞基B1mRNA、前額葉皮層和杏仁核GABAA受體亞基α2mRNA表達量增加，壓力引起的皮質酮含量升高被抑制，焦慮抑郁癥行為減少，而在迷走神經(jīng)切斷的小鼠模型上并沒有發(fā)現(xiàn)相關的神經(jīng)遞質和行為學改變[13]。由此推測，JB-1通過產(chǎn)生的GABA激活了胃腸道壁上的感覺信號傳入神經(jīng)元，然后經(jīng)迷走神經(jīng)通路直接調控了中樞神經(jīng)系統(tǒng)。但是，腸道菌群產(chǎn)生的GABA與迷走神經(jīng)之間相互作用的分子機制并不清楚，還需要做進一步的研究。

3.2 循環(huán)系統(tǒng)途徑循環(huán)系統(tǒng)是由心血管系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)組成的分布于全身的連續(xù)封閉管道系統(tǒng)。腸道中消化產(chǎn)生的營養(yǎng)物質以及腸道菌群產(chǎn)生的小分子物質、神經(jīng)遞質、免疫信號分子和激素等通過腸道屏障進入血液循環(huán)，在外周組織器官或通過血腦屏障作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮作用。一直以來，大多數(shù)的研究表明GABA不能通過血腦屏障(blood brain barrier，BBB)，但有少量的研究提出了不同的觀點。通過特殊轉運分子的主動攝取或擴散作用，GABA能通過BBB進入腦內[31]。當采用雙側原位腦灌注技術時發(fā)現(xiàn),新生大鼠對14C-GABA具有較高的轉運和擴散能力[32]。更有研究證明，BBB中存在GABA轉運體GAT-2和BGT-1，并參與了GABA的轉運[33]。這些發(fā)現(xiàn)為探索外源性GABA對大腦的調控提供了一條新的路徑。到目前為止，腸道菌群產(chǎn)生的GABA是否通過BBB對中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生作用還尚未見相關報道。腸道菌群產(chǎn)生GABA進入循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮著多種生理作用。

3.2.1調節(jié)血液代謝 研究發(fā)現(xiàn)，大鼠十二指腸、回腸和結腸的腸神經(jīng)膠質細胞和肌腸神經(jīng)元中分別含有GAT-2、GAT-3轉運體蛋白[34]。外源攝入GABA后可發(fā)現(xiàn)血液中GABA含量顯著上升[35]，提示外源性GABA能夠透過腸道屏障進入血液循環(huán)。與無菌小鼠相比，常規(guī)飼養(yǎng)小鼠血漿中多巴胺和GABA水平升高[36]。豐富的腸道菌群能夠產(chǎn)生更多的GABA進入血液循環(huán)，調節(jié)機體的抗氧化和胰島素水平。飲水中添加產(chǎn)GABA的植物乳桿菌，提高了小鼠血清總抗氧化(total antioxygentic capacity，T-AOC)和總超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)的活性，降低丙二醛(malonic dialdehyde，MDA)水平[37]。相關的機制可能與GABAB受體調控絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶/糖原合成激酶-3β/核因子相關因子2(protein kinase B，Akt/ glycogen synthase kinase-3beta，GSK-3β/nuclear factor-erythroid 2-related factor，Nrf2)信號通路有關。通過Akt/GSK-3β/Nrf2信號通路，GABAB受體上調了Nrf2表達[38]。Nrf2蛋白作為調控細胞氧化應激反應的重要轉錄因子，提高了相關抗氧化酶基因的轉錄，如SOD和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)[39]。

另外，通過糞便菌群移植技術，把較瘦的人的糞便菌群移植給肥胖的人后發(fā)現(xiàn)，肥胖者血漿中的代謝產(chǎn)物GABA水平升高，胰島素的敏感性增加[40]。GABA能夠誘導脾臟CD4+T細胞分化為Foxp3+調節(jié)性T細胞(Foxp3+regulatory T cells，F(xiàn)oxp3+Treg)，F(xiàn)oxp3+Treg細胞是炎癥反應的負調節(jié)因子，可抑制肥胖的低度炎性反應狀態(tài)和胰島素抵抗，提高胰島素敏感性，改善機體肥胖狀態(tài)。同時，給小鼠灌喂多形擬桿菌后發(fā)現(xiàn)，多形擬桿菌能夠促進谷氨酸鹽代謝為GABA，降低血清谷氨酸鹽的濃度，促進脂肪細胞分解和脂肪酸氧化，從而降低脂肪堆積減輕體質量[18]。鑒于使用GABA對人體的不良反應較小，臨床上使用產(chǎn)GABA的腸道微生物或糞便微生物群移植，對預防肥胖和治療相關代謝疾病具有重要價值。

3.2.2調節(jié)HPA軸 下丘腦-垂體-腎上腺軸(the hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA axis)是神經(jīng)內分泌系統(tǒng)的重要組成部分，參與應激反應。研究發(fā)現(xiàn)，正常小鼠血漿GABA的水平高于無菌小鼠[36]，給無菌小鼠移植正常小鼠的糞便菌群后，壓力引起的血漿皮質酮和促腎上腺皮質激素(adrenocorticotropin hormone，ACTH)含量升高的現(xiàn)象被抑制[41]。腸道菌群能夠緩解應激狀態(tài)下HPA軸反應過激的能力可能與產(chǎn)生的GABA有關。下丘腦室旁核作為HPA軸的直接控制部位，存在著大量的GABA能神經(jīng)元，下丘腦背內測核表達GAD65基因[42]，而促腎上腺皮質激素釋放激素(corticotropin-releasing hormone，CRH)神經(jīng)元表達GABAA受體亞基[43]。在熱應激狀態(tài)下，飼料中添加GABA能夠顯著降低奶牛血清中CRH、ACTH水平[44]，降低熱應激帶來的損害。腸道菌群產(chǎn)生的GABA進入血液可能調節(jié)了與HPA軸相關的激素水平，從而降低了HPA軸的應激狀態(tài)。

3.3 腸道菌群途徑人類腸道菌群中具有多個屬的細菌能夠產(chǎn)生和消耗GABA。腸道菌群產(chǎn)生的GABA作為生長因子，可以促進腸道菌群中其他細菌的生長。利用基因組學技術分析發(fā)現(xiàn)[5]，脆弱擬桿菌產(chǎn)生的GABA能夠為瘤胃球菌科革蘭陽性細菌(KLE1738)提供生長所需的能量和碳源。在飲水中添加產(chǎn)GABA的植物乳酸桿菌，能夠顯著地提高腸道內乳酸菌、雙歧桿菌等有益菌的數(shù)量，降低大腸桿菌、腸球菌等致病菌的數(shù)量，增加腸道菌群的種類[37,45]。目前，腸道菌群中仍有23%～65%的微生物未被培養(yǎng)，GABA對這些微生物的生物學功能以及由此對機體產(chǎn)生的影響還有待進一步研究。

3.4 腸道免疫途徑腸道黏膜被認為是防御外來病原體入侵的第一道防線，它能表達多種免疫細胞因子，包括腸道免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的炎性細胞因子、潘氏(Paneth)細胞產(chǎn)生的α防御素、漿細胞分泌的免疫球蛋白A(lgA)、杯狀細胞產(chǎn)生的黏蛋白等。腸道菌群與腸黏膜免疫系統(tǒng)的發(fā)育，免疫穩(wěn)態(tài)和炎癥反應密切相關，兩者相互作用保護機體免受病原微生物的侵害[46-47]。研究表明，免疫細胞具有合成和分解代謝GABA的作用，抗原遞呈細胞(antigen presenting cells，APCs)可以表達功能性GABA受體亞基[48]。在胃腸道中，GABA存在于腸神經(jīng)元和內分泌細胞中，作為神經(jīng)遞質和內分泌介質影響胃腸道功能。飲食中的GABA可通過調節(jié)腸道免疫系統(tǒng)發(fā)揮作用，如抑制炎性因子IL-1和IL-18基因表達，促進抗炎細胞因子IFN-γ、IL-4和IL-10等基因表達[49]。產(chǎn)生GABA的脆弱擬桿菌可借助lgA黏附到腸道上皮細胞上，保護小鼠免受腸炎和多發(fā)性硬化癥的影響[50]。REN等[51]研究發(fā)現(xiàn)，仔豬大腸桿菌感染時，乳酸乳球菌產(chǎn)生的GABA能通過激活雷帕霉素靶蛋白復合物1-核糖體蛋白S6激酶1(mTORC1-S6K1)信號通路增加空腸中白細胞介素IL-17水平。IL-17能夠促進局部趨化因子的產(chǎn)生，將單核細胞和中性粒細胞聚集到炎癥部位，以對抗外來病原體的入侵[52]。

4 展望

腸道菌群產(chǎn)生的GABA在焦慮抑郁、腸道功能紊亂和代謝異常等疾病中具有不可忽視的作用。目前，對腸道菌群產(chǎn)生的代謝物質的研究主要集中在血清素、短鏈脂肪酸及其主要代謝產(chǎn)物上，但對GABA的研究卻較少。未來的研究需要在弄清更多產(chǎn)生GABA的腸道菌群種類的基礎上，揭示源于腸道菌群GABA在體內的生理功能和作用機制，進一步深入開展基于GABA在抗抑郁、促免疫，抗應激、調食欲等方面的開發(fā)和利用，對于促進人們精神健康，減少畜牧業(yè)中抗生素的使用，具有重要的現(xiàn)實意義。