猪为什么不得糖尿病——贾伟团队于Cell Metabolism报道猪胆酸通过一种独特的 TGR5和F...
生活中我们会观察到，猪虽然易胖，但不易得代谢性疾病，对饮食诱导的糖尿病有极强的抵抗力。有趣的是，早在明代《本草纲目》中就有记载，猪胆主治消渴症（糖尿病症状）。那么，猪之所以不得糖尿病是否跟猪胆有关？如果猪胆能帮助猪抵抗糖尿病，它在现代医学中是否能作为治疗人类糖尿病的药物？它的物质基础是什么？又是如何发挥作用的？带着这些问题，上海交通大学附属第六人民医院贾伟教授团队经过深入的探究，发现猪体内含量最高的一类胆汁酸——猪胆酸（HCAs）能够高效调控血糖平衡，具有治疗2型糖尿病的效果。这类物质通过作用于肠道内分泌L细胞，激活G蛋白偶联胆汁酸受体5（TGR5）信号，同时抑制法尼醇X受体（FXR）信号，上调胰高血糖素原基因（proglucagon）表达，促进胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的生成和分泌，从而有效调控血糖稳态。该研究于2020年12月17日在Cell Metabolism杂志在线发表，并将收录于该杂志“纪念胰岛素发现100周年”的专刊。（图1）
图1、论文图文摘要
不同生物物种体内胆汁酸谱有着很大的差异，调控糖代谢能力也因此不同。我们首先比较了人、小鼠和猪三个物种的空腹血糖水平，以及胆汁酸谱的构成。结果显示，猪的血糖水平显著低于人和小鼠，而且三个物种间的胆汁酸谱有显著的差异。猪胆汁酸中有一类6α-羟基的胆汁酸占猪血清总胆汁酸的76%，我们统称为猪胆酸类（HCAs），这些胆汁酸包括了猪胆酸（HCA）、猪去氧胆酸（HDCA）、以及这两者的甘氨结合型和牛磺结合型（GHCA、GHDCA、THCA、THDCA），而这类胆汁酸在人和小鼠中只占2-4%（图2）。
图2、人、小鼠、猪空腹血糖，胆汁酸谱
如果我们假设猪胆酸HCAs是调控血糖平衡的关键因素，那么我们使它在猪体内的水平降低的话，猪的血糖水平是否就会跟着改变呢？我们采用了FXR受体激动剂GW4064抑制猪的胆汁酸合成，将HCA水平降下了约30%。结果显示，猪的血糖出现显著升高，血液中GLP-1水平显著降低。给GW4064干预模型猪重新灌服HCA或HDCA，猪的血糖和GLP-1水平又恢复了正常水平（图3）。GLP-1是一种由肠道内分泌细胞分泌的脑肠肽，具有刺激胰岛素分泌、抑制胰高血糖素分泌、延缓胃肠道排空、抑制食欲等作用。GLP-1受体激动剂是目前治疗糖尿病最受瞩目的一类药物。我们对猪模型的研究结果提示HCAs能有效调控血糖，而这种调控作用可能是通过促进GLP-1分泌达到的。
图3、猪模型GW4064、HCA、HDCA干预后的HCAs、血糖、GLP-1水平
为了探究HCAs是否对猪以外的其他哺乳动物的血糖和GLP-1有调控作用，我们进一步采用了两种糖尿病小鼠模型。一种是db/db小鼠模型，该模型是瘦素受体缺陷型，其特征为肥胖、瘦素抵抗、高血糖；另一种是高脂饮食合并低剂量链脲佐菌素诱导小鼠模型，具有肥胖、高血糖、胰岛素轻微受损等特征。两者都为典型的研究2型糖尿病的小鼠模型。我们分别对这两种模型饲喂两种猪胆酸，HCA和HDCA，共 4周。结果显示（图4），HCA或者HDCA干预后，糖尿病小鼠模型的糖耐量和胰岛素耐量都显著提高，GLP-1水平相较于对照组也显著升高。同时，我们还选用文献中报道较多的能够调控血糖的胆汁酸牛磺结合型熊去氧胆酸（TUDCA）作对比。结果显示，TUDCA同样表现出对糖耐量和胰岛素耐量的改善，该作用与HCAs相类似；而HCA和HDCA在调控空腹血糖及GLP-1水平的作用要显著优于TUDCA。
图4、两种糖尿病小鼠模型HCAs干预后相关指标
在猪模型和糖尿病小鼠模型中，我们都观察到HCAs能够调控血糖和GLP-1。我们比较了6种HCAs对STC-1和NCI-H716两种肠细胞系分泌GLP-1的影响，25uM的HCAs培养1小时能够显著促进GLP-1分泌，培养24小时能够促进proglucagon的转录和GLP-1的生成，且这一效应具有剂量依赖性。当HCAs浓度达到50uM，proglucagon的转录和GLP-1的分泌进一步提高。
为了探究HCAs诱导肠道内分泌细胞GLP-1生成和分泌的机制，我们针对HCAs对胆汁酸受体TGR5和FXR以及GLP-1受体的效应进行了考察。我们发现HCAs对于胆汁酸受体有独特的效果，它能同时激动膜受体TGR5，拮抗核受体FXR，达到升高GLP-1水平的作用。在研究中我们发现，普通胆汁酸其实也能在中低浓度（25uM以下）具有一定的促进GLP-1分泌的效果。而HCAs特殊性在于它具有剂量依赖性的促GLP-1生成和分泌作用，即当浓度达到50uM时，普通胆汁酸的促GLP-1功能下降，而HCAs随剂量上升其效果持续增加，直至达到药理作用水平。
这一差异的原因就在于HCAs能够同时激动TGR5和拮抗FXR。其他胆汁酸往往只对单个受体有作用，或同时激动了TGR5和FXR，当它们浓度较高时，GLP-1的分泌反而会被抑制。由于浓度窗口太窄，绝大部分胆汁酸的成药价值不高，而HCAs正是在这方面体现出了优势。
最后，为了挖掘HCAs在临床糖尿病治疗中的应用价值，我们对临床糖尿病样本中的HCAs水平及相关指标作了进一步分析。结果发现，从正常人、糖尿病前期、新发糖尿病患者的血清中，HCAs水平呈现逐步下降的趋势。且HCAs水平与餐后60min、120min的GLP-1水平及0-120min GLP-1分泌的曲线下面积具有显著的正相关性，与空腹、餐后120min血糖、糖化血红蛋白水平显著的负相关。
图5、临床样本HCAs水平及与临床指标相关性
本研究对一类关注较少的胆汁酸HCAs在血糖调控方面的作用进行了深入研究，发现这类物质能同时激动肠道内分泌细胞膜受体TGR5和拮抗核受体FXR，促进GLP-1的生成和分泌。该类胆汁酸类似于GLP-1的促泌剂，有望成为糖尿病的潜在治疗药物，也可以和其他降糖药物联用，提高临床疗效。HCAs这类6α羟基胆汁酸也可作为后续进行结构修饰的药物研发基础。同时，由于HCAs代谢受到肠道菌群调控，如何通过肠道菌提高糖尿病患者HCAs的水平，也将成为我们未来研究和药物开发的重点。我们科研团队与产业界合作，已经申请了专利并开始系统开发基于这一类胆酸结构的治疗代谢性疾病的新药产品。
小结
参考文献
Xiaojiao Zheng#, Tianlu Chen#,Runqiu Jiang#, Aihua Zhao#, Qing Wu, Junliang Kuang, Dongnan Sun, Zhenxing Ren,Mengci Li, Mingliang Zhao, Shouli Wang, Yuqian Bao, Huating Li, Cheng Hu, BingDong, Defa Li, Jiayu Wu, Jialin Xia, Xuemei Wang, Ke Lan, Cynthia Rajani,Guoxiang Xie, Aiping Lu, Weiping Jia*, Changtao Jiang*, Wei Jia*. Hyocholicacid species improve glucose homeostasis through a distinct TGR5 and FXRsignaling mechanism. Cell Metabolism. 2020 Dec 17. DOI:10.1016/j.cmet.2020.11.017.
https://www.cell.com/cell-metabolism/pdf/S1550-4131(20)30652-5.pdf
Wei Jia, Meilin Wei, Cynthia Rajani,Xiaojiao Zheng*. Targeting the alternative bile acid synthetic pathway formetabolic diseases. Protein & Cell. 2020. DOI: 10.1007/s13238-020-00804-9.
http://www.protein-cell.org/en/article/doi/10.1007/s13238-020-00804-9
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