倪 萍,黎力之,廖曉鵬,關(guān)瑋琨,黃 曉,張海波*,郭冬生*
(1.宜春學院生命科學與資源環(huán)境學院,江西省高等學校硒農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,宜春市功能農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境重點實驗室,宜春學院繼續(xù)教育學院,江西宜春 336000;2.青島市畜牧獸醫(yī)研究所,山東青島 266000)
炎性腸病(IBD)是累及回腸、直腸、結(jié)腸的非特異性慢性腸道炎癥,主要表現(xiàn)為損傷動物腸黏膜,致使動物發(fā)生腹瀉、便血,體重下降,嚴重時導致動物死亡,危害極大[1-2]。相關(guān)研究表明,IBD 是環(huán)境、遺傳易感性和腸道菌群等因素互作的結(jié)果[3]。膽汁酸(BA)作為肝臟分泌的產(chǎn)物之一,經(jīng)腸道菌群代謝后,生成次級膽汁酸,對動物的糖脂代謝和免疫功能均有調(diào)控作用[4-5]。目前研究認為,BA 在動物IBD 的發(fā)生發(fā)展中具有如下作用:其一,BA 在腸道蓄積會破壞腸上皮緊密連接,導致腸黏膜通透性增加,細菌和毒素等經(jīng)腸黏膜進入體循環(huán),引起腸源性感染和細菌移位,誘導腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素(IL)-6 和IL-17 等炎癥介質(zhì)釋放,從而引發(fā)IBD[6]。其二,BA 與法尼醇X 受體(FXR)和G 蛋白膽汁酸偶聯(lián)受體5(TGR5)結(jié)合后,促進二者活化減輕IBD 及其對動物產(chǎn)生的不利影響,同時也是防止腸道內(nèi)出現(xiàn)BA 過量聚積的一種保護機制。近年來,BA 與FXR 和TGR5 結(jié)合后在調(diào)節(jié)體內(nèi)BA 代謝平衡以緩解IBD 方面發(fā)揮了重要作用,引起畜牧工作者的廣泛關(guān)注,但目前缺乏關(guān)于BA 對動物炎性腸病通路方面的系統(tǒng)綜述。因此,本文重點闡述BA-FXR/TGR5信號通路在IBD 中的作用途徑,展望BA 在畜禽生產(chǎn)上的應用前景,進一步明確BA 與腸道健康之間的關(guān)系及其在畜禽生產(chǎn)中的作用,為指導畜禽生產(chǎn)提供參考。
1.1 BA 的分類 目前已知BA 多達17 種[7]。動物種類不同,其膽汁中所含BA 種類存在差異,如豬的膽汁中含有鵝脫氧膽酸(CDCA),而鼠的膽汁中不含CDCA[8-9]。按照合成部位和來源的不同,BA 分為初級膽汁酸和次級膽汁酸。初級膽汁酸以膽固醇為原料,在肝臟中直接合成,如膽酸(CA)和CDCA[10]。后經(jīng)腸道微生物加工修飾轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸,包括脫氧膽酸(DCA)和石膽酸(LCA)等[11]。近年來,亦有學者提出,次級膽汁酸通過肝腸循環(huán)重吸收生成代謝產(chǎn)物三級膽汁酸,如熊脫氧膽酸(UDCA)[12]。此外,按照結(jié)構(gòu)不同,BA 還可分為游離型膽汁酸和結(jié)合型膽汁酸,前者主要包括CA、DCA 及少量LCA 等[13];后者由游離型膽汁酸與甘氨酸或?;撬峤Y(jié)合形成,包括?;悄懰幔═CA)、甘氨膽酸(GCA)和?;蛆Z脫氧膽酸(TCDCA)等[14]。
1.2 BA 的生物合成 膽固醇是合成BA 不可或缺的前體,其在肝臟中由經(jīng)典途徑和替代途徑合成初級膽汁酸。經(jīng)典途徑(或中性途徑)是BA 合成的主要途徑,在肝細胞中通過滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的膽固醇7α-羥化酶(CYP7A1)啟動,膽固醇在其作用下轉(zhuǎn)化為7α-羥固醇,后經(jīng)甾醇12α-羥化酶(CYP8B1)催化產(chǎn)生CA[15]。若反應缺少CYP8B1 參與,則形成CDCA[16]。在多種組織和巨噬細胞中,替代途徑(或酸性途徑)由位于線粒體中的甾醇27α-羥化酶(CYP27A1)啟動,通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上氧固醇7α-羥化酶(CYP7B1)催化形成CDCA[15]。Schwarz 等[17]研究發(fā)現(xiàn),當肝臟中CYP7A1活性下降,經(jīng)典途徑發(fā)生障礙,動物體促使替代途徑產(chǎn)生CDCA 調(diào)節(jié)體內(nèi)代謝平衡。通過上述2 種途徑合成的初級膽汁酸以酰胺鍵與甘氨酸和牛磺酸結(jié)合形成膽汁鹽(如TCA 和GCA)。與初級膽汁酸相比,膽汁鹽的水溶性增大,BA 毒性降低,并保證其從回腸末端重吸收[18]。
1.3 BA 的肝腸循環(huán) 約95% 的BA 在回腸末端經(jīng)小腸絨毛刷狀緣頂端鈉鹽依賴的膽汁酸轉(zhuǎn)運體(ASBT)主動吸收進入腸上皮細胞,通過結(jié)合回腸膽汁酸結(jié)合蛋白(IBABP),促使BA 在基底外側(cè)膜上的有機溶質(zhì)轉(zhuǎn)運體α/β(OSTα/OSTβ)作用下,經(jīng)門靜脈循環(huán)大部分被重吸收至肝臟[19]。有研究表明,F(xiàn)XR 作為回腸中IBABP 的激活因子,促進BA 移動到基底外側(cè)膜,加快其重吸收速率[20]。僅約5%的BA 在腸道菌群作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镈CA 和LCA 被肝臟重吸收,而LCA 因以游離態(tài)存在,大部分未被重吸收,隨糞便排出體外[19]。進入肝臟的BA 被重新分泌后,隨膽汁再排入腸道,完成一次BA 肝腸循環(huán)??傊珺A 肝腸循環(huán)協(xié)調(diào)肝臟BA 合成和小腸BA 重吸收,二者共同維護體內(nèi)膽固醇和BA代謝平衡,影響動物腸道健康。
BA 作為活化FXR 和TGR5 的信號分子,影響二者所介導的相關(guān)信號通路,參與調(diào)節(jié)炎癥反應。另外,其代謝紊亂導致腸上皮細胞中BA 含量異常升高而產(chǎn)生毒性作用,造成腸上皮細胞增生或凋亡,引起腸道炎癥。而BA 通過激活FXR 和TGR5 信號通路對自身代謝的調(diào)控作用,也是保護腸上皮細胞免受BA 異常升高所致毒性作用的一種機制。因此,探究BA 代謝相關(guān)信號通路的調(diào)節(jié)作用有望為動物IBD 防治提供新的研究策略。
2.1 BA-FXR 信號通路對IBD 的調(diào)節(jié)作用 肝臟、腎臟、心臟、胸腺、脾臟和腸道中表達FXR 可作為BA 激活轉(zhuǎn)錄因子之一,其在肝臟和腸道中的表達量較高,是BA 代謝調(diào)節(jié)的核心[21]。據(jù)報道,F(xiàn)XR基因敲除小鼠的IL-6 和TNF-α等腸黏膜炎癥因子基因表達水平顯著高于野生型小鼠,其更容易出現(xiàn)免疫系統(tǒng)障礙[22]。硫酸葡聚糖鈉誘導的腸炎小鼠模型中,腸黏膜FXR 靶基因表達下降,而補充外源性TCA 能緩解腸炎小鼠杯狀細胞減少,降低腸黏膜通透性,減輕炎癥程度[23]。由此可知,F(xiàn)XR 具有潛在的免疫調(diào)節(jié)功能,在調(diào)節(jié)炎癥反應、維持腸道穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮調(diào)控作用。
已有研究表明,IBD 的發(fā)生與BA 代謝和膽汁酸池組成改變有關(guān)[24]。FXR 作為BA 的受體,激活后通過肝臟和腸道2 條途徑抑制BA 合成酶活性,調(diào)節(jié)BA代謝,維持其在體內(nèi)的平衡,從而抑制BA 毒性作用,預防IBD 的發(fā)生。在肝臟中,BA 激活FXR,增強小異源二聚體伴侶受體(SHP)表達,肝受體同系物1 和肝細胞核因子4α結(jié)合位點與CYP7A1和CYP8B1啟動子重疊,前兩者與SHP 互作形成抑制性復合物,阻礙CYP7A1和CYP8B1基因轉(zhuǎn)錄,從而負反饋調(diào)節(jié)BA合成[25]。除上述代謝途徑外,BA 激活的FXR 通路還存在SHP 非依賴途徑,但該途徑下BA 的負反饋調(diào)節(jié)機制尚不清楚[26]。據(jù)報道,十二指腸灌注BA 可抑制CYP7A1基因的轉(zhuǎn)錄,說明腸內(nèi)環(huán)境是BA 負反饋調(diào)節(jié)的必要條件[27]。在腸道中,BA 激活回腸FXR,上調(diào)成纖維細胞生長因子15/19(FGF15/19)表達,F(xiàn)GF 受體4(FGFR4)與β-Klotho 蛋白結(jié)合形成FGFR4/β-Klotho復合物,F(xiàn)XR 誘導該復合物與FGF15/19 結(jié)合,下調(diào)膽汁酸合成限速酶CYP7A1轉(zhuǎn)錄表達,實現(xiàn)BA 反饋抑制性調(diào)節(jié)[28]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),當體內(nèi)發(fā)生炎癥反應時,F(xiàn)XR 表達降低,F(xiàn)GF19-FGFR4 信號通路受到抑制,導致IBABP和OSTα/OSTβ表達下調(diào),促進ASBT表達[29]。IBABP表達下降使腸細胞中BA 轉(zhuǎn)移減少,而OSTα/OSTβ表達下降減少了進入門靜脈的BA,共同擾亂肝腸循環(huán),導致BA 大量聚積在腸黏膜,加重炎癥反應[29]。綜上所述,F(xiàn)XR 通過負反饋抑制BA 合成酶的轉(zhuǎn)錄表達來調(diào)節(jié)BA 代謝,維護機體內(nèi)的BA 穩(wěn)態(tài),緩解BA 損傷腸道(圖1)。機體發(fā)生炎癥時,F(xiàn)XR表達下調(diào)引起炎癥反應加劇,提示腸道FXR 有望作為IBD 藥物治療的靶點。
圖1 BA-FXR 信號通路對IBD 的調(diào)節(jié)作用
2.2 BA-TGR5 信號通路對IBD 的調(diào)節(jié)作用 TGR5 由330 個氨基酸殘基組成,具有7 個跨膜結(jié)構(gòu)域,是G 蛋白偶聯(lián)受體家族成員之一[30]。同時,其作為一種新型BA受體,經(jīng)BA 激活后,發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能。研究發(fā)現(xiàn),在兔脾臟單核細胞及肺泡巨噬細胞中,TGR5 高度表達[31]。從外周血中分離出單核細胞,發(fā)現(xiàn)在其分化成樹突狀細胞過程中,加入適宜濃度的BA 可使由革蘭氏陰性菌誘導的IL-12基因表達水平降低[32]。這提示BA 通過激活TGR5 參與單核細胞分化過程,進而抑制促炎細胞因子分泌,發(fā)揮顯著的抗炎作用。巨噬細胞可調(diào)節(jié)細胞因子分泌,按功能分為經(jīng)典活化型巨噬細胞(M1 型)和替代性活化型巨噬細胞(M2 型)。M1 型巨噬細胞主要發(fā)揮促炎作用,而M2 型巨噬細胞分泌IL-10 活化Treg細胞發(fā)揮抗炎功能。有研究發(fā)現(xiàn),次級膽汁酸與TGR5受體結(jié)合后活化巨噬細胞,誘導其從M1 向M2 表型轉(zhuǎn)化,使M2 型巨噬細胞占主要優(yōu)勢,IL-10/IL-12 比值提高,抑制TNF-α和IL-6 等促炎細胞因子,從而達到抗炎效果[33]。
有研究表明,齊墩果酸作為TGR5 的天然選擇性激動劑,可抑制三硝基苯磺酸誘發(fā)的小鼠結(jié)腸炎[34]。祁有朝等[35]研究發(fā)現(xiàn),TCDCA 能激活大鼠肺泡巨噬細胞中TGR5 受體,提高第二信使環(huán)磷酸腺苷(cAMP)水平,使蛋白激酶A(PKA)和反應元件結(jié)合蛋白(CREB)磷酸化,降低LPS 誘導的促炎細胞因子TNF-α和IL-6分泌。相比于野生型小鼠,在TGR5基因敲除小鼠中觀察到cAMP、PKA 和CREB 蛋白表達顯著下降[35]。由此可知,TGR5 受體的活化對腸道炎癥有抑制作用,而BA 通過激活TGR5 介導cAMP-PKA-CREB 信號通路調(diào)控炎癥反應。BA 與TGR5 結(jié)合后增強TGR5基因表達,使細胞膜受體由失活狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顮顟B(tài),進而活化膜上Gs 蛋白,誘導細胞內(nèi)腺苷酸環(huán)化酶催化ATP形成cAMP,PKA 發(fā)生磷酸化,上調(diào)cAMP 的CREB表達。CREB 一方面使其重要靶基因產(chǎn)物FOS 結(jié)合活化NF-κB 的p65 亞基,阻礙其進入細胞核,從而抑制NF-κB 轉(zhuǎn)錄,減少炎癥因子IL-8 基因表達,減輕腸道炎癥;另一方面促進由其誘導的IL-10 等細胞因子分泌,進而發(fā)揮抗炎效應[36]。此外,cAMP 與BA 代謝密切相關(guān),BA 激活TGR5 后,cAMP 含量上升,ASBT 轉(zhuǎn)運功能增強,促進腸上皮細胞BA 吸收,防止BA 過度累積引起動物腸道受損[37]。綜上,BA 不僅通過調(diào)控單核細胞和巨噬細胞,使促炎細胞因子與抗炎細胞因子比例處于有利于腸道穩(wěn)態(tài)的水平,維護機體健康;還能介導TGR5-cAMP 信號通路調(diào)節(jié)炎癥應答及BA 代謝,發(fā)揮調(diào)控炎癥的作用(圖2)。從BA-TGR5 抗炎通路對IBD 的作用發(fā)現(xiàn),為BA 維護動物腸道健康提供了強有力證據(jù),同時也為尋找IBD 的治療方案提供了一定的理論依據(jù)。
3.1 BA 對畜禽生產(chǎn)性能的影響 仔豬胃腸道未發(fā)育完全,BA 合成分泌不足,大量脂質(zhì)在腸道中積累,導致仔豬出現(xiàn)營養(yǎng)代謝障礙。補充豬專用外源BA 可將飼料中的脂類轉(zhuǎn)變?yōu)槿槊游⒘?,促進仔豬的脂質(zhì)代謝。在飼糧中添加BA 可顯著提高斷奶仔豬的脂肪消化率,同時增加采食量和日增重,改善生長豬的生長性能[38]。與飼糧中未添加BA 相比,飼糧中添加0.3%BA 使斷乳仔豬平均日增重提高9.42%,耗料增重比下降0.08[39]。表明飼料中添加BA 能提高飼料中脂肪轉(zhuǎn)化率,從而促進仔豬生長發(fā)育。
圖2 BA-TGR5 信號通路對IBD 的調(diào)節(jié)作用
肉雞生長速度快,普通飼料無法滿足其生長所需營養(yǎng),而不同類型飼糧中可能會出現(xiàn)脂肪轉(zhuǎn)化不佳、乳化及吸收缺陷。添加BA 能促進脂肪乳化吸收,提高飼料轉(zhuǎn)化率,促進肉雞生長發(fā)育,并降低養(yǎng)殖成本[40-41]。飼糧添加0.02%、0.03%BA 均可提高“817”肉雜雞的平均日增重,降低耗料增重比[40]。每噸飼糧添加800 g 膽汁酸復合乳化劑可使肉雞日增重提高7.63%,耗料增重比下降8.04%[41]。由此可見,添加BA 可加速脂類物質(zhì)消化吸收,以滿足肉雞的營養(yǎng)需求。
綜上所述,BA 可促進腸道對脂類物質(zhì)的吸收利用,提高畜禽對飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收率。飼糧中添加BA 或能在一定程度上解決飼料中出現(xiàn)的脂類物質(zhì)乳化和吸收缺陷等問題,從而提高畜禽生長性能,實現(xiàn)畜禽產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
3.2 BA 在疾病控制方面的作用 近年來的研究表明,飼料添加DCA 對NE 誘發(fā)的回腸炎癥有劑量依賴性的緩解作用。Bansal 等[13]在1 日齡肉用雛雞飼糧中添加0.8、1.0、1.5 g/kg 的DCA,可抑制亞臨床型NE 誘導的細胞凋亡和IL-17、IL-23、INF-γ等腸道炎癥因子的基因表達。隨后,Bansal 等[13]還對不同劑量下DCA對回腸炎癥的緩解作用進行了比較,發(fā)現(xiàn)1.5 g/kg 的DCA 可降低產(chǎn)氣莢膜梭菌(NE 主要致病因子)的腸腔定殖率。值得注意的是,飼糧中添加的DCA 以劑量依賴性方式增加機體總BA 和DCA 水平,但具體機制還需進一步研究。此外,在飼糧中添加BA 可促進免疫球蛋白產(chǎn)生,提高仔豬免疫能力,降低保育仔豬的腹瀉率[42]。以上研究表明,適當添加BA 可下調(diào)炎癥因子,增強動物機體免疫應答,對防治動物疾病具有重要作用。在未來或能替代抗生素用于防治動物腸道疾病,減少抗生素對動物生產(chǎn)、人類健康及生態(tài)環(huán)境造成的負面影響,緩解慢性疾病給畜禽養(yǎng)殖造成的經(jīng)濟損失,使無抗養(yǎng)殖技術(shù)得到進一步推廣應用,加快我國畜禽產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
IBD 的發(fā)生可嚴重危害動物腸道健康,且目前缺乏有效的防治方法,對動物健康造成極大威脅。近年來,越來越多的研究表明,BA 不僅能調(diào)節(jié)糖脂代謝,還能通過BA-FXR/TGR5 信號通路有效緩解腸道炎癥。FXR 被BA 激活后,經(jīng)肝臟和腸道2 條途徑負反饋調(diào)節(jié)BA 的合成,保持體內(nèi)BA 代謝平衡,維護腸道健康。TGR5 活化后通過單核細胞和巨噬細胞,使抗炎/促炎細胞因子穩(wěn)定在有利于動物機體健康的水平,并經(jīng)TGR5-cAMP 通路調(diào)節(jié)BA 代謝,減輕腸道炎癥。然而,大多數(shù)研究僅報道了BA 代謝的大致作用途徑,尚未完全闡明其作用機制,且對IBD 的調(diào)節(jié)作用研究主要集中在實驗動物上,在畜禽方面研究較少。此外,外源補充BA 對體內(nèi)BA 的作用機制尚不清楚,如何控制飼料中BA 用量,在避免造成腸道BA 過多累積的前提下,對患病畜禽進行有效干預防治,促進畜禽生長發(fā)育,還有待進一步探討。因此,就有效性和安全性而言,有必要進一步探尋BA 在不同動物上的用量及相應效果。同時利用更為綜合的分析手段深入研究BA 及其受體對動物體作用的分子機制,有望通過調(diào)節(jié)畜禽日糧結(jié)構(gòu)以影響體內(nèi)BA 代謝,提高畜禽生長性能,并為靶向防治動物相關(guān)疾病提供新思路。