數(shù)以百億計的微生物與宿主構(gòu)成共生關(guān)系，越來越多的證據(jù)表明腸道微生物在幫助宿主對食物的消化吸收之外的其它生理活動中也發(fā)揮了重要作用，解析腸道微生物與宿主各器官間的互作關(guān)系有助于在分子水平理解腸道菌與宿主在長期的共進(jìn)化過程中演化出的共生機制。

 

參與代謝調(diào)控是腸道菌影響宿主機體健康的重要方面。一方面腸道菌通過其強大的代謝能力以降解腸道中復(fù)雜多糖與宿主實現(xiàn)互利互惠，另一方面，腸道菌的定植與胰島素抵抗密切相關(guān)。因此，腸道菌的定植勢必增加機體對胰島素的需求。已有研究發(fā)現(xiàn)了腸道菌來源的短鏈脂肪酸通過激活迷走神經(jīng)促進(jìn)胰島素分泌。而胰島細(xì)胞能否直接感知腸道菌來源的信號而調(diào)控胰島素的分泌目前尚無報道。

 

6月14日，中國科學(xué)院生物物理研究所劉志華課題組與中山大學(xué)附屬**醫(yī)院魏泓課題組在Cell Research上合作發(fā)表文章Intestinal Lysozyme Liberates Nod1 Ligands From Microbes to Direct Insulin Trafficking in Pancreatic Beta Cells，該工作入選2019年Cell Research 第七期封面論文。

 

在該研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)胰島beta細(xì)胞通過表達(dá)胞內(nèi)細(xì)菌肽聚糖受體Nod1來感知腸道菌的配體信號，以協(xié)助胰島素囊泡的順勢轉(zhuǎn)運，促進(jìn)胰島素的分泌。同時發(fā)現(xiàn)腸道菌的存在影響著胰島素分泌囊泡在胰島beta細(xì)胞中的分布。在SPF小鼠胰島beta細(xì)胞中，胰島素彌散分布于整個細(xì)胞質(zhì)，而在失去腸道菌刺激的無菌小鼠（Germ-Free，GF）中胰島素聚集于近核區(qū)，與胰島素前體共定位。該現(xiàn)象說明腸道菌信號對于胰島素囊泡的成熟與分泌至關(guān)重要。為了進(jìn)一步解析胰島beta細(xì)胞響應(yīng)腸道菌信號的分子機制，研究人員對GF小鼠回補了不同腸道菌配體，發(fā)現(xiàn)只有激活模式識別受體Nod1的腸道菌肽聚糖組分能夠促進(jìn)胰島素囊泡向近質(zhì)膜區(qū)的轉(zhuǎn)運。研究者發(fā)現(xiàn)，胰島beta細(xì)胞中高表達(dá)胞質(zhì)肽聚糖受體Nod1，當(dāng)在胰島beta細(xì)胞中特異性敲除Nod1，SPF小鼠可產(chǎn)生與GF小鼠類似的胰島素轉(zhuǎn)運、分泌障礙，并明顯降低了小鼠的糖耐受能力，加劇了高脂飲食誘導(dǎo)的高血糖。

 

對Nod1促進(jìn)胰島素囊泡轉(zhuǎn)運的機制進(jìn)行深入解析時發(fā)現(xiàn)，胰島beta細(xì)胞受腸道菌來源配體直接調(diào)控。在Nod1配體刺激下，胰島beta細(xì)胞Nod1轉(zhuǎn)位于胰島素分泌囊泡表面，招募下游的接頭蛋白Rip2及內(nèi)膜轉(zhuǎn)運關(guān)鍵小GTPase Rab1a至囊泡表面，促進(jìn)胰島素分泌囊泡的成熟與順勢轉(zhuǎn)運。有意思的是，該研究發(fā)現(xiàn)了腸道溶菌酶是水解腸道菌細(xì)胞壁產(chǎn)生Nod1配體的關(guān)鍵蛋白。溶菌酶的缺失導(dǎo)致小鼠血液中Nod1配體含量顯著下降，Nod1-Rip2-Rab1a不能定位于胰島素囊泡，進(jìn)而阻礙胰島素分泌。也就是說，腸道菌調(diào)控胰島素分泌的過程依賴于小腸潘氏細(xì)胞溶菌酶的釋放，而溶菌酶的敲除切斷了腸道菌-胰島之間信號傳遞。

 

該研究工作表明，在常規(guī)SPF小鼠中，由腸道來源的nod1配體已經(jīng)在不斷地幫助小鼠分泌胰島素，維持血糖平衡。缺乏Nod1配體IE-DAP的GF小鼠，及Nod1-Rip2敲除小鼠中，胰島素分泌均出現(xiàn)障礙。給外周缺乏Nod1配體的溶菌酶敲除小鼠回補IE-DAP可有效而直接地恢復(fù)胰島響應(yīng)血糖變化分泌胰島素能力。說明了細(xì)菌配體與胰島beta細(xì)胞中Nod1受體，對于胰島細(xì)胞正常響應(yīng)血糖變化，維持糖耐受，改善高脂飲食造成的高血糖至關(guān)重要。

 

該研究工作發(fā)現(xiàn)了腸道菌-溶菌酶-胰島軸參與機體代謝的新功能及分子機制，提示腸道溶菌酶產(chǎn)生的腸道菌衍生物分子在機體生理活動中發(fā)揮重要作用。此外，該研究成果不僅揭示了腸道菌通過影響內(nèi)膜系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運參與代謝的這一更廣泛的分子機制，更暗示了腸道溶菌酶在腸道菌與機體互作間的橋梁作用，為腸道菌調(diào)控腸外組織生理活動的研究提供了新思路。

 

以上工作由生物物理所感染與免疫重點實驗室研究員劉志華和中山大學(xué)附屬**醫(yī)院研究員魏泓為共同通訊作者，生物物理所感染與免疫重點實驗室副研究員張勤、助理研究員潘瑩和第三軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士曾本華為共同**作者。該研究經(jīng)費支持主要來自科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院。該研究得到生物物理所感染與免疫重點實驗室熒光成像平臺、第三軍醫(yī)大學(xué)實驗動物平臺、清華大學(xué)動物實驗平臺、質(zhì)譜分析平臺等的大力支持。