膽汁酸的形成比較復(fù)雜，涉及的催化反應(yīng)包括了至少17種不同的酶。膽汁酸的合成發(fā)生在肝臟，可通過(guò)兩種不同途徑來(lái)完成。經(jīng)典（或中性）途徑是膽固醇經(jīng)膽固醇-7α-羥化酶（CYP7A1）催化生成7α-羥基膽固醇，進(jìn)一步催化生成膽酸（CA）和鵝去氧膽酸（CDCA），CYP7A1是整條途徑的限速酶，決定膽汁酸生成量，在正常條件下至少75%的膽汁酸通過(guò)該途徑產(chǎn)生。替代（或酸性）途徑則由甾醇-27-羥化酶（CYP27A1）催化生成27-羥基膽固醇進(jìn)一步被氧甾醇-7α-羥化酶（CYP7B1）催化生成CDCA，人和老鼠通過(guò)該途徑分別產(chǎn)生總膽汁酸量的9%和25%。已有研究表明腸道微生物群可調(diào)節(jié)CYP7A1、CYP7B1和CYP27A1酶的表達(dá)。值得注意的是，替代途徑主要產(chǎn)生CDCA，而經(jīng)典途徑產(chǎn)生CDCA和CA，兩種初級(jí)膽汁酸的比例由合成CA所必需的甾醇-12α-羥化酶（CYP8B1）決定，該酶不受微生物調(diào)節(jié)。除CA和CDCA外，小鼠還產(chǎn)生初級(jí)膽汁酸MCAs（主要是β-MCA）和熊去氧膽酸（UDCA），而在人類中，UDCA是次級(jí)膽汁酸， MCAs通常檢測(cè)不到。膽汁酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)既有疏水的甾環(huán)，又有親水的羥基或者氨基酸側(cè)鏈。這種兩性結(jié)構(gòu)使得膽汁酸具有洗滌劑性質(zhì)便于形成膠束，促進(jìn)小腸脂類和脂溶性維生素A、D、E和K的消化吸收，按親脂性排序依次為：LCA > DCA >CDCA > CA > UDCA > MCA。在排泄到膽汁并進(jìn)一步通向十二指腸之前，肝臟膽汁酸C-24位通過(guò)兩步反應(yīng)與甘氨酸或?；撬峤Y(jié)合，這個(gè)過(guò)程降低了膽汁酸pKa，同時(shí)增加其溶解度。然而，與能擴(kuò)散穿過(guò)細(xì)胞膜的非結(jié)合型膽汁酸不同，膽汁鹽需要跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白才可以穿過(guò)膜。結(jié)合型膽汁酸通過(guò)膽鹽輸出泵（BSEP）主動(dòng)運(yùn)輸?shù)侥懼?，并?chǔ)存在膽囊內(nèi)，直到進(jìn)食后釋放到十二指腸。人體中膽汁酸主要與甘氨酸結(jié)合，?；撬峤Y(jié)合程度較小，而小鼠和大鼠中膽汁酸幾乎完全與?；撬峤Y(jié)合。大約95％的膽管分泌的膽汁酸從腸道重新吸收，主要是以結(jié)合型膽汁酸的形式在回腸末端通過(guò)鈉依賴性膽汁酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ASBT，也稱為IBAT），經(jīng)門靜脈循環(huán)至肝臟，再由肝臟分泌，這個(gè)過(guò)程稱為膽汁酸腸肝循環(huán)，在人體內(nèi)每天大約發(fā)生六次。

大多數(shù)（95％）膽汁酸通過(guò)腸細(xì)胞的頂膜鈉依賴性膽鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體（ASBT）在回腸末端被重吸收。腸道膽汁酸結(jié)合蛋白（IBABP /脂肪酸結(jié)合蛋白亞類6 / FABP6）可以促進(jìn)膽汁鹽通過(guò)腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)到基底外側(cè)膜，并通過(guò)異二聚體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OSTa / OSTb入血。微生物去結(jié)合（即去除甘氨酸或牛磺酸綴合物）防止膽汁酸通過(guò)ASBT從小腸中主動(dòng)再攝取。膽汁酸去結(jié)合過(guò)程由具有膽汁鹽水解酶（BSH）活性的細(xì)菌主導(dǎo)的。宏基因組學(xué)研究表明功能性BSH存在于人類腸道所有主要細(xì)菌和古菌種中，包括乳酸桿菌、雙歧桿菌、梭菌和擬桿菌等。與其他微生物生態(tài)系統(tǒng)相比，BSH在腸道微生物中富集，并與膽汁毒性的抗性增加有關(guān)。未被ASBT重吸收的初級(jí)膽汁酸進(jìn)入結(jié)腸，通過(guò)7-脫羥基代謝成次級(jí)膽汁酸：來(lái)自CDCA的石膽酸（LCA）和來(lái)自CA的脫氧膽酸（DCA）（Figure 1）。鼠α-MCA和β-MCA發(fā)生相同反應(yīng)生成鼠去氧膽酸（MDCA）。Omega-MCA（ω-MCA）是β-MCA主要代謝產(chǎn)物，通過(guò)6β-差向異構(gòu)化形成。β-MCA還可通過(guò)6β-差向異構(gòu)化和額外的7β-脫羥基作用形成豬去氧膽酸（HDCA），以及通過(guò)6β-差向異構(gòu)化和進(jìn)一步的7β-差向異構(gòu)化形成豬膽酸（HCA，也稱為γMCA）。人體中的UDCA是由梭狀芽胞桿菌將CDCA經(jīng)過(guò)7α/β-異構(gòu)化形成的。進(jìn)一步經(jīng)過(guò)3α/β-羥基和5-Hβ/α異構(gòu)化分別生成異膽酸和別膽酸。7-脫羥基過(guò)程由細(xì)菌與膽汁酸誘導(dǎo)的基因進(jìn)行多重反應(yīng)。能夠產(chǎn)生次級(jí)膽汁酸的細(xì)菌屬于厚壁菌門，分別為梭菌屬（XIVa和XI簇）和真桿菌屬。另一種膽汁酸微生物轉(zhuǎn)化是生成氧-（或酮-）膽汁酸，由含有羥基類固醇脫氫酶（HSDHs）的細(xì)菌將3,7或12環(huán)位的羥基氧化生成，含有羥基類固醇脫氫酶（HSDHs）的細(xì)菌屬于放線菌門、變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門。這些氧化反應(yīng)是可逆的，最終可導(dǎo)致差向異構(gòu)化。

膽汁酸的微生物代謝增加了膽汁酸多樣性及膽酸池的疏水性，有利于促進(jìn)膽汁酸的糞便排泄，菌群產(chǎn)生的次級(jí)膽汁酸量約為膽汁酸總量的5％。其中一小部分去結(jié)合次級(jí)膽汁酸也可通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散作用從腸道重吸收，并在腸肝循環(huán)中富集并充當(dāng)宿主中的信號(hào)分子。不同條件下的小鼠糞便ω-MCA，MDCA和HDCA水平有很大差異，這可能歸因于腸道微生物群組成的差異改變了膽汁酸的微生物修飾，但人類腸道微生物群不能代謝β-MCA。小鼠和人類不同的膽汁酸譜通過(guò)膽汁酸受體改變信號(hào)傳導(dǎo)，因此從小鼠研究結(jié)果轉(zhuǎn)化到人類時(shí)需要謹(jǐn)慎對(duì)待。值得注意的是，異膽汁酸存在于人類血清和尿液中，特別是在結(jié)腸和糞便中，其中iso-LCA和iso-DCA是僅次于LCA和DCA的第二豐富的膽汁酸，在某些個(gè)體中濃度分別達(dá)到290和390 μM。產(chǎn)生異膽酸的細(xì)菌包括遲緩真桿菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌，iso-DCA不僅由遲緩真桿菌產(chǎn)生，產(chǎn)氣莢膜梭菌也能產(chǎn)生。研究顯示iso-DCA有利于擬桿菌屬生長(zhǎng)，提示微生物HSDH可作為腸道微生物組成和宿主代謝的潛在調(diào)節(jié)因子。由于有限的膽汁酸標(biāo)準(zhǔn)品和部分膽汁酸的含量微乎其微，常規(guī)和高級(jí)膽汁酸的分析中不可能檢測(cè)到所有的膽汁酸形式。另外，由原始5β-H位置脫羥基作用/消除反應(yīng)產(chǎn)生的5α-H（''allo''）膽汁酸的報(bào)道很少，有待進(jìn)一步挖掘。

膽汁酸的合成受到核受體FXR負(fù)反饋抑制調(diào)節(jié)，F(xiàn)XR是一種與啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合并啟動(dòng)多種靶基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，在多種組織中均有表達(dá)。FXR高表達(dá)且研究最多的是肝臟和回腸。FXR在腎臟中也有相當(dāng)高的表達(dá)水平，而在心臟、卵巢、胸腺、眼睛、脾臟和睪丸中表達(dá)水平較低。FXR在膽汁酸調(diào)節(jié)中的方式有兩種，其一，膽汁酸激活肝臟FXR誘導(dǎo)小異二聚體伴侶(SHP)分子的表達(dá)，SHP與肝受體同源蛋白-1 (LRH-1)結(jié)合，從而抑制Cyp7a1基因的表達(dá)（Figure 4）。其二，除了肝臟局部作用外，遠(yuǎn)端回腸中FXR也可被膽汁酸激活，誘導(dǎo)FGF15（人類為FGF19）表達(dá)。FGF15 /19通過(guò)門靜脈到達(dá)肝臟，與FGF受體4（FGFR4）/b-klotho異二聚體復(fù)合物結(jié)合，觸發(fā)JNK1/2和ERK1/2信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)抑制Cyp7a1的表達(dá)（Figure 4）。組織特異性FXR缺陷小鼠研究表明回腸FXR激活抑制Cyp7a1介導(dǎo)的膽汁酸合成比肝FXR激活更強(qiáng)，而肝臟FXR可能調(diào)控Cyp8b1改變CA合成。FXR最有效的配體是CDCA，其次是CA、DCA和LCA。UDCA不激活FXR，它反而抑制FXR活化。最近，小鼠?；撬峤Y(jié)合的初級(jí)膽汁酸Tα-MCA和Tβ-MCA已被確定為天然存在的FXR拮抗劑。GF小鼠Tβ-MCA積累，F(xiàn)XR信號(hào)減弱，膽汁酸合成增加，Tβ-MCA在沒(méi)有細(xì)菌的情況下不能代謝。研究發(fā)現(xiàn)微生物群以FXR依賴性方式調(diào)節(jié)膽汁酸的代謝和合成。微生物群不僅能代謝膽汁酸，還可調(diào)控FXR信號(hào)途徑。微生物群通過(guò)將FXR的拮抗劑Tβ-MCA去結(jié)合，從而促進(jìn)小鼠FXR信號(hào)傳導(dǎo)，并產(chǎn)生作為TGR5配體的二級(jí)膽汁酸。此外，F(xiàn)XR激活還可以誘導(dǎo)其他轉(zhuǎn)運(yùn)體BSEP/ABCB11、 MDR3/MDR2/ABCB4、ABCG5/ABCG8的表達(dá)影響膽汁酸代謝。

微生物群和膽汁酸之間的相互作用并不是單向的。膽汁酸通過(guò)促進(jìn)膽汁酸代謝細(xì)菌的生長(zhǎng)和抑制其他膽汁敏感菌的生長(zhǎng)來(lái)重塑腸道微生物群落。研究表明，阻止膽汁流入腸道引發(fā)的膽道阻塞會(huì)導(dǎo)致小腸內(nèi)細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)和移位，這種表型可通過(guò)膽汁酸給藥逆轉(zhuǎn)。這也證明了膽汁酸不但能通過(guò)破壞細(xì)菌細(xì)胞膜發(fā)揮直接抗菌作用，而且還間接通過(guò)FXR誘導(dǎo)宿主免疫系統(tǒng)影響腸道微生物群的抗菌藥物（如iNOS和IL-18）的轉(zhuǎn)錄。膽汁酸作為信號(hào)分子和FXR在肝臟、小腸等代謝活躍組織中表達(dá)的重要性已經(jīng)引起了人們對(duì)FXR在代謝疾病中作用的極大興趣。然而，F(xiàn)XR缺乏小鼠進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互矛盾的結(jié)果，顯然飲食以及動(dòng)物飼養(yǎng)環(huán)境之間存在微生物群差異，可能會(huì)導(dǎo)致不同的表型。Fxr缺乏的小鼠喂養(yǎng)正常飼料容易發(fā)生高血糖和高膽固醇血癥，而Ldlr-/-背景下的Fxr缺乏小鼠喂養(yǎng)高脂飲食可改善脂質(zhì)代謝，并對(duì)飲食誘導(dǎo)的肥胖和動(dòng)脈粥樣硬化具有保護(hù)作用。相比之下，Apoe-/-基因背景下的Fxr缺陷小鼠更容易出現(xiàn)動(dòng)脈粥樣硬化?？傮w而言，與對(duì)照組小鼠相比，F(xiàn)xr缺陷小鼠喂食高脂飲食或有肥胖遺傳背景 (ob/ob)的小鼠似乎可以預(yù)防肥胖，并改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)。因此，F(xiàn)XR與特定營(yíng)養(yǎng)素之間關(guān)系值得進(jìn)一步研究。此外，F(xiàn)XR在腎臟近端和遠(yuǎn)端集合管細(xì)胞均有表達(dá)，所以其在膽汁酸代謝中的作用還需進(jìn)一步研究。

綜上所述，F(xiàn)XR在肝細(xì)胞和腸細(xì)胞中表達(dá)，其作用是監(jiān)測(cè)細(xì)胞膽汁酸/鹽水平，調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達(dá)以維持膽汁酸/鹽的腸肝循環(huán)，防止細(xì)胞內(nèi)膽汁酸積累到毒性水平。FXR除了調(diào)節(jié)膽汁酸穩(wěn)態(tài)外，還可以調(diào)節(jié)血漿脂蛋白、葡萄糖、脂肪變性、炎癥、細(xì)菌生長(zhǎng)和肝再生等過(guò)程。

TGR5是另一種膽汁酸受體，是一種G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)，在肝非實(shí)質(zhì)細(xì)胞（膽管細(xì)胞、竇內(nèi)皮細(xì)胞、Küpffer 細(xì)胞及免疫細(xì)胞）表達(dá)，也在胎盤、肺、脾、腸、棕白色脂肪組織、骨骼肌、骨髓中表達(dá)。TGR5主要由疏水性次級(jí)膽汁酸LCA和DCA激活，是微生物與膽汁酸相互作用的另一個(gè)靶點(diǎn)（Figure 4）。TGR5的激活導(dǎo)致受體內(nèi)化，環(huán)磷腺苷（cAMP）水平升高，蛋白激酶A活化，導(dǎo)致靶蛋白磷酸化水平增加，包括cAMP效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREBP)轉(zhuǎn)錄因子。這種活化引起的結(jié)果是廣泛的且具有細(xì)胞特異性，包括巨噬細(xì)胞中抗炎作用，增加褐色脂肪組織能量消耗，改善葡萄糖代謝和胰島素敏感性，膽囊松弛，增加腸道運(yùn)動(dòng)。TGR5缺陷小鼠沒(méi)有明顯的異常表型且具備生育能力，但其膽汁酸池減少，表明TGR5在膽汁酸穩(wěn)態(tài)中具有一定作用，但尚不清楚是TGR5的直接影響還是通過(guò)FXR介導(dǎo)的。另外，目前尚不清楚FXR和TGR5是否通過(guò)微生物群和膽汁酸代謝的改變直接或間接產(chǎn)生其他受體激動(dòng)劑或拮抗劑。

孕烷X受體(PXR/NR1I2)在肝臟和腸道中高度表達(dá)，在其他組織中水平較低。與激活FXR的膽汁酸不同，PXR由肝毒性膽汁酸LCA和3-keto-LCA (EC50 10 mM) 激活，對(duì)CDCA、DCA、CA無(wú)應(yīng)答。激活的PXR誘導(dǎo)I-III期基因參與多種代謝物代謝、運(yùn)輸和排泄過(guò)程，包括外源性物質(zhì)和有毒膽汁酸，如LCA。然而，LCA或3-keto-LCA激活肝臟和腸道PXR的重要性仍有待確定。最近的研究報(bào)告顯示，由于NFkB的表達(dá)減弱和炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)減少，腸道PXR對(duì)炎癥性腸病具有保護(hù)作用，但是膽汁酸是否能提供類似的PXR依賴性保護(hù)作用來(lái)對(duì)抗炎癥性腸病仍需要進(jìn)一步研究。

維生素D受體(VDR/NR1I1)在多個(gè)組織中表達(dá)包括腎、腸和巨噬細(xì)胞，調(diào)控許多生理和藥理過(guò)程，這些過(guò)程不僅包括骨骼和鈣代謝，還包括免疫、細(xì)胞生長(zhǎng)和分化。VDR最有效的內(nèi)源性激動(dòng)劑是1,25-二羥維生素D3(1,25-diOHD3)。但具有肝毒性膽汁酸LCA和3-keto LCA被證明也可以激活VDR靶基因，包括CYP3A家族成員，這些基因參與了LCA和其他毒素代謝，生成毒性較低的生物非活性產(chǎn)物。

本文總結(jié)了膽汁酸與腸道菌群及宿主之間的相互作用，微生物群可直接或間接通過(guò)膽汁酸調(diào)節(jié)FXR和TGR5的信號(hào)傳導(dǎo)。膽汁酸受體FXR和TGR5已成為代謝疾病的轉(zhuǎn)化和介入研究的主要靶點(diǎn)。因此，了解腸道微生物群及其對(duì)膽汁酸代謝和信號(hào)傳導(dǎo)的影響可能有助于解釋臨床前數(shù)據(jù)。然而，人和鼠膽汁酸具有顯著不同的信號(hào)傳導(dǎo)特性，并且缺乏豐富和/或表征的膽汁酸代謝物可能影響獲得結(jié)論的正確性。微生物群的差異也可以解釋個(gè)體對(duì)膽汁酸衍生藥物的不同反應(yīng)，對(duì)微生物群更深入的了解可以識(shí)別出對(duì)治療有積極反應(yīng)的個(gè)體和有不良反應(yīng)的個(gè)體。針對(duì)微生物群、膽汁酸和FXR和/或TGR5信號(hào)之間的相互作用似乎發(fā)展成為治療代謝疾病極具應(yīng)用前景的途徑，表2列舉了目前已開展臨床實(shí)驗(yàn)的膽汁酸相關(guān)制劑，但仍需要更多的研究。