2.5 Galzuren en Enterohepatische Circulatie
Enterohepatische circulatie is een goed gekarakteriseerd mechanisme voor biochemische uitwisseling tussen de darmmicrobiota en de gastheer. De primaire galzuren cholzuur (CA) en chenodeoxycholzuur (CDCA) worden in de lever gevormd uit cholesterol. Voordat deze primaire galzuren in de gal worden uitgescheiden, worden zij geconjugeerd met glycine of taurine om hun detergerende eigenschappen te verbeteren. Deze geconjugeerde galzuren worden vervolgens in de galblaas opgeslagen voordat ze na het nuttigen van een maaltijd in de dunne darm worden uitgescheiden. Na uitscheiding vergemakkelijken deze galzuren de vertering en absorptie van vetten, voedingsstoffen en vetoplosbare vitaminen. De meeste galzuren worden actief geabsorbeerd in het distale ileum en terug getransporteerd naar de lever. Een kleine maar significante hoeveelheid (1%-5%, oftewel 200-800 mg per dag bij de mens) gaat echter naar de dikke darm. Hier ondergaan deze galzuren een bacteriële biotransformatie, zowel aan de galzuurzijketen als aan de steroïdenkern.
Eerst deconjugeren galzouthydrolase (BSH)-enzymen de glycine- of taurinemolecule uit het galzuur. BSH-genen zijn geïdentificeerd in enkele van de voornaamste bacteriegeslachten (Bacteroides, Bifidobacterium, Clostridium, Lactobacillus, Listeria) van de microbiota en de meerderheid hydrolyseert zowel glyco- als tauroconjugaten . De gekloofde taurine en glycine kunnen worden gebruikt als energiebron voor de bacteriën . Niet-geconjugeerde galzuren kunnen worden geabsorbeerd en naar de lever worden teruggevoerd om opnieuw te worden geconjugeerd alvorens opnieuw in de enterohepatische circulatie te worden gebracht, of er kan verdere bacteriële verwerking plaatsvinden. Colonbacteriën kunnen een reeks metabolische omzettingen tot de steroïdenkern uitvoeren, waarbij secundaire galzuren worden geproduceerd. Na de verwijdering van het aminozuur komt de hydroxylgroep op de C7-positie van het galzuur beschikbaar voor microbiële dehydroxylering. Verwijdering van de C7-hydroxylgroep leidt tot de vorming van 7-deoxy galzuren. Meer bepaald wordt CA 7-dehydroxylated tot deoxycholic acid (DCA) terwijl CDCA wordt omgezet in lithocholic acid (LCA) . Van Clostridium scindens en Clostridium hylemonae (phylum Firmicutes) en Eggerthella lenta (phylum Actinobacteria) is bekend dat zij 7α-dehydroxyleringsactiviteit bezitten. Deze secundaire galzuren zijn potentieel cytotoxisch voor de gastheer en worden in verband gebracht met darmkanker en de vorming van cholesterolgalstenen, zodat zij in de lever verder moeten worden verwerkt. Aangezien de lever niet in staat is secundaire galzuren te rehydroxyleren, worden ze ontgift door conjugatie met glycine of taurine, en in sommige gevallen sulfaat. DCA wordt geconjugeerd met glycine of taurine en komt opnieuw in de enterohepatische circulatie terecht en vormt ongeveer 20% van de galzuren in de galwegen van volwassenen. LCA daarentegen is zeer hepatotoxisch en vereist zowel aminozuurconjugatie als extra sulfatisering op de C3-positie. Gesulfateerde conjugaten van LCA worden in de galzurenpool uitgescheiden, maar worden slecht geabsorbeerd, zodat ze via de fecale uitscheiding uit het lichaam worden verwijderd.
Andere biotransformaties omvatten epimerisatie van hydroxylgroepen op galzuren. De lever synthetiseert galzuren met hydroxylgroepen in de α-richting. Bepaalde darmbacteriën zijn in staat deze hydroxylgroepen van de α-oriëntatie om te zetten in de β-oriëntatie via een reactie in twee fasen waarvoor twee stereochemisch verschillende hydroxysteroïde dehydrogenasen (α- en β-vormen) nodig zijn. Ursodeoxycholzuur (UDCA) is het meest voorkomende secundaire galzuur dat via deze actie wordt geproduceerd (goed voor < 4% van het totaal aan galzuren in de galwegen en de fecale galwegen). Hierbij wordt de 7-α-hydroxylgroep van CDCA eerst geoxideerd door een 7-α-hydroxysteroïde dehydrogenase gevolgd door de stereospecifieke reductie van de 7-ketogroep door 7-β-hydroxysteroïde dehydrogenase waarbij de 7-β-hydroxylgroep ontstaat. Deze stappen kunnen worden uitgevoerd door één soort die beide dehydrogenases bezit of door twee soorten die elk één vorm van het enzym bezitten . De 7α-hydroxysteroïde-dehydrogenasen komen veel voor bij leden van de geslachten Bacteroides, Clostridium, Escherichia en Eubacterium, terwijl 7β-hydroxysteroïde-dehydrogenasen alleen zijn waargenomen bij Firmicutes. Evenzo zijn 3α- en 3β-, en 12α-, en 12β-hydroxysteroïde dehydrogenases waargenomen bij leden van Firmicutes, hoewel de aanwezigheid van 12-oxo galzuren in de menselijke feces beperkt is. Epimerisatie van de 7-α-hydroxylgroep van CDCA vermindert de toxiciteit ervan en produceert een gunstiger micro-omgeving voor de bacteriën.
Over het geheel genomen zijn er > 30 galzuren bekend die voorkomen in de circulerende en lever galzuurpool, waarbij de darmmicrobiota het grootste deel van deze diversiteit bepalen. Variatie in de soorten en abundanties van de aanwezige galzuren kan de fysisch-chemische eigenschappen van de totale pool veranderen. Dit geldt ook voor hun rol bij de vertering en absorptie van voedingsbestanddelen. Deconjugatie vermindert de efficiëntie van galzuren voor de emulgering van voedingslipiden en de vorming van micellen, en CA heeft grotere lipide-emulgerende eigenschappen dan CDCA en DCA. Galzuren fungeren ook als belangrijke signaalmoleculen die dienen als liganden voor de nucleaire receptor farnesoïde X-receptor (FXR) en de plasmamembraangebonden G-eiwitgekoppelde receptor TGR5 . Variatie in de aanwezige galzuren kan de totale signaalcapaciteit van de galzuurpool wijzigen. Meer bepaald worden CA, CDCA, DCA en LCA beschouwd als FXR-agonisten, terwijl UDCA een FXR-antagonist is. Door binding aan deze receptoren kunnen galzuren genen reguleren die van cruciaal belang zijn voor de galzuursynthese, conjugatie, transport en detoxificatie, alsook voor de regulering van de vet-, glucose- en energiehomeostase. De expressie van galzuurreceptoren en -transporteurs in weefsels buiten de enterohepatische circulatie, naast de meting van weefselspecifieke galzuursignaturen in het hart en de nieren, suggereert dat deze signalerende rol wereldwijd relevant is. Eén studie toonde aan dat de expressie van het BSH enzym in staat was om de plasma galzuur signatuur te moduleren met stroomafwaartse vertakkingen voor de transcriptie van genen betrokken bij zowel het vetmetabolisme als metabole signaalwegen. Deze observaties tonen de systemische regulerende rol van galzuren aan die een biochemische brug vormen voor het darmmicrobioom om de metabolische status van de gastheer te beïnvloeden.