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Nature Metabolism | 胆汁酸新功能--通过肠脑轴影响食欲

2021.8.23

胆汁酸（BAs）除了促进脂类消化吸收外，还可作为信号分子调控代谢和免疫等多种生理功能。细胞表面的Takeda G蛋白偶联受体5（TGR5，又称GPBAR1）是BAs的主要受体，它们在肠道、肾脏、肝脏以及中枢神经系统等部位均有表达。近些年有报道显示，大脑中存在BAs，并与循环BAs水平高度相关，可通过被动扩散到达中枢神经系统（CNS），但人们对BAs在CNS中的生理作用却知之甚少。来自瑞士洛桑理工学院的Kristina Schoonjans团队发现，小鼠生理进食后BAs到达下丘脑，使下丘脑BAs浓度短时上调，特异性激活AgRP/NPY神经元膜受体TGR5的表达，进而调控小鼠食欲，揭示了BA-TGR5信号在中枢神经系统中介导的生理反馈作用。这一发现给肥胖治疗提供了新思路。相关成果发表在《Nature Metabolism》。

中枢神经系统BA-TGR5信号可调控小鼠进食行为

作者首先发现野生型小鼠生理进食后，BAs进入到下丘脑，几种内源性BAs（主要是牛磺酸结合型）浓度短时升高。给小鼠口服混合BAs后，小鼠全天食物摄入量减少，表明CNS中由饮食介导的BAs增加可能通过激活BA受体在禁食-进食过渡期间触发饱腹感。利用RNAscope脑表达谱发现内源Gpbar1 mRNA在控制食欲的下丘脑弓状核（ARC）区高表达。给小鼠灌胃TGR5特异性半合成BA INT-777，发现INT-777与内源BA一样在下丘脑迅速积累。并可在10-100 mg /kg剂量范围内减少食物摄入，在最高剂量下，INT-777 到达下丘脑的浓度与餐后内源性BA 的浓度相当，概括了BA介导的摄食行为反馈调节所需的中枢生理浓度。在参与摄食调节的不同神经元群体中，促食欲AgRP/NPY神经元和抑食欲POMC神经元位于ARC中，靠近有孔的血脑屏障，可促进与血液的交换。ARC内神经肽表达显示，小鼠口服或静脉注射TGR5激动剂1 h后，Agrp和Npy mRNA水平降低，而Pomc水平不受影响。

图1 生理喂养过程中BAs到达下丘脑，并通过TGR5抑制进食

分析野生型(Gpbar1^+/+)和TGR5完全敲除型（Gpbar1^−/−）小鼠的表型发现，Gpbar1^−/−小鼠总进食量显著增加、夜间进食量显著增加，并且不能抑制Agrp和Npy –促食欲神经肽的表达，而抑食欲神经肽Pomc的表达不受影响，表明在喂食状态下TGR5可能通过抑制AgRP/NPY而不是刺激POMC神经元来协调饱腹感。进一步分析TGR5在大脑不同细胞类型中的分布，免疫荧光分析显示，TGR5存在于下丘脑神经元以及其他脑细胞中，包括神经胶质细胞和星形胶质细胞。用神经元特异性TGR5敲除小鼠重复该实验发现，小鼠的总进食量和促食欲神经肽分泌量也显著增加。

图2 神经元中TGR5的表达，其缺失会促进食物摄入

TGR5通过抑制下丘脑AgRP/NPY神经元来抑制食物摄入

为了进一步证实上述结论，作者分别构建了AgRP和POMC神经元特异性敲除Gpbar1的小鼠模型，和野生型小鼠相比，AgRP突变小鼠在夜间进食量显著增加，而POMC突变小鼠的进食量无变化。此外，口服INT-777后，POMC突变小鼠和野生型小鼠产生厌食反应，而这种效应在AgRP突变小鼠中显著减弱，表明TGR5通过AgRP/NPY神经元，而不是POMC神经元来控制食物摄入。在 TGR5:GFP 小鼠中使用 Agrp RNAscope 探针和 GFP 免疫荧光共染色实验，结果显示，TGR5在AgRP /NPY神经元中表达。免疫荧光实验表明，禁食动物中 INT-777 介导的 TGR5 激活显著降低了Fos阳性AgRP/NPY神经元的百分比。这些结果表明BA-TGR5信号通过抑制下丘脑AgRP/NPY神经元中神经肽的表达来抑制进食行为。

图3 AgRP/NPY中的TGR5选择性缺失可消除BA衍生物诱导的饱腹感

机制探究：TGR5能瞬时性地阻断AgRP/ NPY神经元神经肽的释放

由于TGR5能介导快速神经元的反应，作者推断TGR5除了抑制促食欲基因表达，还可能参与阻断神经肽的分泌。下丘脑外植体离体实验表明，禁食后，用INT-777激活TGR5可迅速抑制Gpbar1^+/+的AgRP/NPY神经元中AgRP和NPY的释放，但在Gpbar1^-/-中无该效应。这些结果表明进食后BA-TGR5信号的生理厌食作用是通过选择性减少AgRP/NPY分泌来实现的。

进一步探究其分子机制，作者用AgRP/ NPY阳性且表达TGR5的小鼠胚胎下丘脑细胞系mHypoE-N41 (N41)进行了一系列实验，与体内和离体研究结果一致， INT-777处理能快速降低N41细胞中Agrp和Npy的表达，并短时阻断了Agrp的释放。

已有证据表明，在致密核心囊泡（DCVs）动员的早期阶段，皮质肌动蛋白丝是分泌囊泡和质膜之间的主要物理屏障，肌动蛋白网络重塑可限制不同类型细胞（包括神经元）的肽分泌。肌动蛋白的解聚合和稳定性可通过Rho–ROCK信号通路来调节。那么，TGR5是否通过Rho–ROCK–肌动蛋白轴瞬时调节神经肽的分泌？通过评估INT-777 处理后的 AgRP 和 NPY 分泌以及同时使用thiazovivin 抑制ROCK。ROCK的抑制消除了TGR5对AgRP和NPY分泌抑制。此外，用INT-777或BA混合物短期刺激TGR5可调节细胞骨架，有利于肌动蛋白纤维的稳定和聚合。与以上研究结果一致，用INT-777或BA混合物急性激活TGR5后，N41细胞内NPY小泡的积累增加、释放明显减少；机制上，BA-TGR5信号可以促进ROCK下游蛋白MLC和COFILIN的瞬时磷酸化进而促进肌动蛋白的稳定和聚合。这些结果表明BA-TGR5信号可以降低AgRP/NPY mRNA的丰度，并暂时阻断AgRP/ NPY神经元中神经肽的释放，进而抑制进食行为。

图4 TGR5通过Rho–ROCK信号通路的短暂激活调控促食欲神经肽的释放

小结

BAs作为多功能信号分子，调节肝肠和外周代谢器官之间的交流，近些年研究表明BAs在全身代谢和免疫调节方面具有重要作用。本研究发现BA-TGR5信号轴不仅在疾病中起重要作用，而且在进食行为的生理控制中也起着重要作用。BAs在下丘脑中通过结合AgRP/NPY神经元上的TGR5受体抑制AgRP/NPY mRNA表达和神经肽释放，从而抑制进食行为，揭示了BAs在神经调节方面的新功能。

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参考文献

Alessia Perino, et al. Central anorexigenic actions of bile acids are mediated by TGR5. Nature Metabolism, VOL 3 , MAY 2021 ,595–603.

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