引言
肠道微生物群是一个包含数千种微生物类群的复杂生态系统，是宿主健康的关键调节者。然而，关于微生物群如何在系统层面影响宿主，我们的知识仍存在关键缺口。在健康的生理状态下，微生物直接穿过肠道屏障的易位是有限的，因此，微生物代谢物已成为微生物群影响宿主过程的主要信号介质。其中，微生物将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸的过程，是维持肠道生态稳定的基石。这些复杂的微生物转化过程，深刻地塑造了次级胆汁酸的生化特性。近年来，人工智能和质谱技术的进步极大地扩展了我们对次级胆汁酸库多样性的理解。至今，已识别出数百种次级胆汁酸——这仅是天然次级胆汁酸库中的一小部分——同时预测了数万种相关酶。整合多组学研究进一步证实了次级胆汁酸在自身免疫性疾病发病机制中的作用。
胆汁酸的肠肝循环
胆汁酸的合成、运输和代谢过程已被广泛表征。在人体中，初级胆汁酸主要包括胆酸和鹅脱氧胆酸。肝细胞通过经典途径和替代途径，将胆固醇代谢为初级胆汁酸。这些初级胆汁酸随后与氨基酸结合以增强其水溶性，并通过胆汁盐输出泵转运至胆囊储存。餐后，胆汁酸以混合微胶粒的形式释放进入十二指肠，促进膳食脂质的乳化和吸收。
随着肠内容物在胃肠道中推进，约90%-95%的胆汁酸在回肠末端和结肠被重吸收，通过门静脉循环返回肝脏，完成肠肝循环。仅有约5%的胆汁酸通过粪便排出。回肠和肝脏中再循环的胆汁酸激活法尼醇X受体，可抑制CYP7A1的表达，从而限制初级胆汁酸的从头合成，维持胆固醇稳态。年龄和性别是影响全身性胆汁酸库的重要因素。在个体层面，胆汁酸库具有独特性，并且在一天中的不同时间间隔内表现出变异性。
次级胆汁酸的转化
肠道微生物拥有大量的功能基因，能够促进次级胆汁酸的多种生化修饰。这些肠道微生物介导初级胆汁酸的脱结合以及官能团的改变，同时保持核心甾体环结构的完整性。在各种生物转化途径中，7α-脱羟基被认为是生成次级胆汁酸的关键酶促过程。次级胆汁酸的转化在肠道环境中通过一系列微生物驱动的反应发生，包括初级胆汁酸的脱结合、脱氢、氧化和异构化。
胆汁酸库的组成表现出显著的个体间和个体内变异性，并受年龄、性别和饮食干预等因素的影响。
历史上，次级胆汁酸的主要特征是通过微生物去除初级胆汁酸的7α-羟基。然而，液相色谱-质谱和组学等分析技术的进步，导致了参与次级胆汁酸转化的许多其他微生物途径的识别。现在公认的是，次级胆汁酸代表了一类被肠道微生物来源的酶广泛修饰的代谢物。
转化途径详解
- 1.
脱结合：胆汁盐水解酶是微生物胆汁酸代谢的关键介质，能催化初级胆汁酸的脱结合。这一过程通过释放可作为碳、氮和硫源的氨基酸，促进肠道微生物群落的增殖，并为所涉及的微生物提供生长优势。在健康脊椎动物中，初级胆汁酸的脱结合是一个底物限制的过程，并且主要在肠道中完成。
- 2.
7α-脱羟基：初级胆汁酸的脱结合是7α-脱羟基的先决条件。肠道微生物中的Bai操纵子介导初级胆汁酸的7-脱羟基。这个操纵子包含八个基因，对应于将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸的不同酶促步骤。厚壁菌门的成员，包括瘤胃球菌科、消化链球菌科、毛螺菌科和颤螺菌科，在人类肠道中表现出对初级胆汁酸的7-脱羟基活性。
- 3.
C3-和C12-脱羟基：除了被深入研究的C7-脱羟基，人类肠道微生物也促进初级胆汁酸C3和C12位的脱羟基。然而，对这些途径的彻底机制阐明和所涉及的微生物类群的鉴定仍然有限，这主要是由于胆汁酸追踪的方法学挑战。
- 4.
微生物结合：宿主来源的结合胆汁酸通常以牛磺酸或甘氨酸侧链为特征；然而，最近的研究揭示了在人类和无特定病原体小鼠中存在非经典胆汁酸结合物。这些微生物结合胆汁酸结合了异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸等氨基酸，并且在初级和次级胆汁酸中都有发现。无菌小鼠中缺乏这些物质证实了微生物活性在其生物合成中的作用。
- 5.
氧化和差向异构化：液相色谱/质谱方法的进步阐明了许多源自次级胆汁酸修饰的微生物代谢物，包括C3、C7和C12位的羟基氧化和差向异构化。已鉴定的代谢物包括氧化脱氧胆酸、异石胆酸、异脱氧胆酸和异别石胆酸。氧化胆酸中间体的生成是羟基差向异构化的关键步骤，促进胆汁酸在α-和β-构型之间的相互转换。
- 6.
脂肪酸酯化、硫酸化和聚合：越来越多的研究已经识别出大量细菌对胆汁酸的修饰，至少记录了5,576种不同的改变。胆汁酸的脂肪酸酯化、硫酸化和聚合被认为可以降低胆汁酸的毒性。胆汁酸酯化主要由涉及醇、短链脂肪酸和长链脂肪酸的修饰产生，约占健康人粪便样本中总胆汁酸的10-30%，主要以异脱氧胆酸和异石胆酸的形式存在。
胆汁酸受体
胆汁酸受体分布于各种组织，并对初级和次级胆汁酸做出反应，在调节胆汁酸合成、胃肠道运动和免疫系统功能中发挥关键作用。这些受体大致分为核受体和细胞膜受体。
已识别的核受体包括维生素D受体、孕烷X受体、组成型雄甾烷受体和法尼醇X受体。细胞膜受体主要包括G蛋白偶联受体，如G蛋白偶联胆汁酸受体1和鞘氨醇-1-磷酸受体2。
在核受体中，法尼醇X受体被认为是人体内主要的胆汁酸传感器，在维持肠肝稳态中具有明确的作用。宿主来源的初级胆汁酸通常作为法尼醇X受体激动剂，而许多次级胆汁酸，如异脱氧胆酸、脱氧胆酸和石胆酸，则作为拮抗剂，在免疫细胞中将鹅脱氧胆酸诱导的法尼醇X受体转录活性抑制30-50%。除了代谢调节，法尼醇X受体还通过抑制核因子-κB核转位来发挥抗炎作用，从而抑制促炎细胞因子的产生。
维生素D受体在哺乳动物中进化保守，可被石胆酸及其衍生物3-氧代石胆酸激活。功能上，维生素D受体信号通过上调紧密连接蛋白来增强肠道屏障完整性，并抑制核因子-κB通路，共同减轻肠道炎症。
G蛋白偶联胆汁酸受体1在多个器官中广泛表达，与法尼醇X受体相反，它对次级胆汁酸的反应比初级胆汁酸更强。G蛋白偶联胆汁酸受体1的激活也会提高细胞内环磷酸腺苷水平，从而激活蛋白激酶A介导的信号转导并调节能量代谢。
胆汁酸对肠道微生物生态的调节
人类肠道微生物群是迄今为止发现的种群最密集的自然生态系统之一。这个复杂的微生物群落包含数千种细菌物种，主要来自厚壁菌门和拟杆菌门，它们共同约占微生物总数的90%至99%。次级胆汁酸的代谢转化在维持肠道微生物群稳态中起着关键作用。
在体内，胆汁酸表现出抗菌特性，而次级胆汁酸对特定的微生物类群显示出有效的抑制作用。这些直接的抗菌作用源于其生物去污剂特性，是宿主采用的关键物理化学防御机制。高浓度的胆汁盐会破坏微生物膜脂并置换完整的膜蛋白，导致细胞内容物泄漏和微生物细胞快速死亡。
微生物对初级胆汁酸转化为次级胆汁酸也会产生具有增强选择性抗菌特性的化合物。在鼠类模型中，胆酸的加入促进7α-脱羟基和脱氧胆酸的积累，从而促进厚壁菌门，特别是梭菌簇XIVa的增殖，同时抑制肠杆菌科的生存能力。类似地，人类短期食用动物性饮食会迅速提高脱氧胆酸水平，这与扭链瘤胃球菌丰度的减少相关。
胆汁酸的微生物转化也改变了胆汁酸库的组成，从而选择出耐胆汁的微生物群落。微生物通过胆汁酸代谢介导的交叉喂养也已被观察到。例如，普通拟杆菌将胆酸转化为3-琥珀胆酸，后者支持阿克曼菌的生长，并有助于维持肠上皮完整性。
次级胆汁酸还通过激活宿主胆汁酸受体间接影响肠道微生物群。在肠上皮细胞内，法尼醇X受体的激活诱导参与肠道保护的基因表达，从而抑制细菌过度生长并减轻粘膜损伤。法尼醇X受体缺陷的小鼠在回肠中表现出细菌负荷增加和上皮屏障功能受损。
次级胆汁酸的免疫调节机制
最近多组学技术的进步阐明了次级胆汁酸深刻的免疫调节能力，将其定位为宿主-微生物界面关键性的微生物衍生代谢物。体外和体内证据描绘了由不同次级胆汁酸驱动的特定免疫调节途径。异脱氧胆酸作为树突状细胞中法尼醇X受体的拮抗剂，减弱其免疫刺激表型，并间接促进结肠调节性T细胞的扩增，而不影响辅助性T细胞17的分化。同时，异别石胆酸通过促进保守非编码序列3处的活跃染色质状态，增强Foxp3基因座的转录活性，这是调节性T细胞发育的主要调节因子。
次级胆汁酸的免疫调节功能扩展到调节性T细胞17，这是一个关键的促炎亚群。在葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎鼠类模型中，石胆酸和3-氧代石胆酸都已显示通过维生素D受体信号恢复结肠视黄酸相关孤儿受体γt阳性调节性T细胞群。随后的研究阐明，3-氧代石胆酸和异石胆酸直接抑制性T细胞17谱系定义转录因子视黄酸相关孤儿受体γt的转录活性，从而抑制其分化。异别石胆酸同样抑制性T细胞17细胞分化，这种效应是在不下调视黄酸相关孤儿受体γt表达或不损害细胞活力的前提下实现的，表明了一种独特的、无毒的效应模式。
除了核受体介导的转录控制，次级胆汁酸还可以通过非经典途径调节免疫功能。一项关键研究表明，脱氧胆酸直接与CD8+T细胞上的质膜钙ATP酶4相互作用。这种相互作用促进钙外流，导致干扰素-γ、肿瘤坏死因子-α和颗粒酶B的转录下调，从而削弱CD8+T细胞的细胞毒性。此外，次级胆汁酸的免疫原性特性深受肠道微生物修饰的影响。值得注意的是，细菌对异别石胆酸的硫酸化完全消除了其诱导调节性T细胞分化的能力，这突出了特定的微生物转化如何关键性地决定胆汁酸代谢物的功能结果。
自身免疫性疾病中次级胆汁酸-免疫轴的失调
自身免疫性疾病的核心是异常的免疫激活。虽然遗传易感性和环境诱因是公认的促成因素，但令人信服的证据现在将肠道微生物群及其代谢产物定位为自身免疫性疾病全球发病率上升的核心参与者。生态失调通常伴随着肠道通透性增加，促进了微生物组分和代谢物易位到宿主全身循环中，导致持续的免疫刺激。额外的机制，例如微生物和宿主抗原之间的分子模拟和表位共享，进一步巩固了肠道微生物与自身耐受性破坏之间的联系。
支持这一范式的是，类风湿性关节炎的实验模型表明，肠道微生物的改变先于临床疾病发作，并且针对微生物组或肠道屏障完整性的干预可以改善症状，强调了微生物群的致病作用。下一代测序和整合多组学方法的进步使得能够详细绘制各种自身免疫性疾病的肠道微生物群落及其相关的代谢组学特征，包括炎症性肠病、多发性硬化症、类风湿性关节炎、1型糖尿病和系统性红斑狼疮。这些研究中一个一致且突出的发现是次级胆汁酸谱的显著破坏，这与临床疾病参数密切相关。
具体疾病中的次级胆汁酸
- 1.
炎症性肠病：炎症性肠病，包括溃疡性结肠炎和克罗恩病，其特征在于胃肠道的慢性、复发性炎症。肠道微生物生态失调是其发病机制中一个公认的病因因素。在此背景下，次级胆汁酸成为连接微生物生态和宿主炎症反应的关键分子环节。在炎症性肠病中的一个标志性发现是肠腔内次级胆汁酸的显著耗竭，这使微生物-胆汁酸轴成为机制和治疗研究的焦点。
- 2.
类风湿性关节炎：类风湿性关节炎是一种慢性的自身免疫性疾病，主要影响关节，导致疼痛、肿胀和进行性损伤。越来越多的证据强调了肠道微生物群和胆汁酸代谢在类风湿性关节炎发病机制中的参与。在类风湿性关节炎患者中观察到粪便次级胆汁酸水平降低，特别是脱氧胆酸和石胆酸。这种减少与7α-脱羟基细菌丰度降低相关，例如来自梭菌簇XIVa的细菌。此外，类风湿性关节炎患者的肠道微生物群组成发生改变，次级胆汁酸敏感菌，如普雷沃菌的富集，可能通过次级胆汁酸介导的免疫调节破坏辅助性T细胞17/调节性T细胞平衡。
- 3.
系统性红斑狼疮：系统性红斑狼疮是一种多系统自身免疫性疾病，其特征是针对自身抗原产生自身抗体，导致全身多器官炎症和损伤。最近的研究揭示了肠道微生物群和胆汁酸代谢在系统性红斑狼疮中的潜在作用。系统性红斑狼疮患者表现出肠道微生物群组成改变，次级胆汁酸水平降低，而初级胆汁酸水平升高。特别是，系统性红斑狼疮患者中扭链瘤胃球菌的扩增与疾病活动性相关，并且该细菌具有修饰胆汁酸的能力。
总结
次级胆汁酸是肠道微生物代谢产生的一类关键信号分子，它们通过复杂的转化机制，深度参与塑造肠道菌群结构、维持肠道生态平衡，并直接调控宿主免疫细胞的功能与分化。次级胆汁酸通过激活法尼醇X受体、G蛋白偶联胆汁酸受体1、维生素D受体等多种受体，精密地调节免疫稳态，影响包括炎症性肠病、类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮在内的多种自身免疫性疾病的发生与发展。随着人工智能、质谱及多组学技术的飞速发展，我们对次级胆汁酸多样性及其功能的认识正在不断加深。靶向次级胆汁酸代谢通路及其相关受体，为干预自身免疫性疾病提供了极具前景的新策略。未来的研究需要进一步阐明特定次级胆汁酸分子的精确免疫调节机制，并探索基于微生物-胆汁酸轴的个性化治疗新途径。
