01

文章背景簡介   

BACKGROUND INTRODUCTION

大量研究表明，腸道中產(chǎn)生丁酸鹽的共生菌數(shù)量減少與多種疾病的發(fā)生發(fā)展存在關(guān)聯(lián)。丁酸鹽作為一種短鏈脂肪酸（SCFA），在維持腸道微環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，可以增強(qiáng)上皮屏障功能、調(diào)控宿主代謝、免疫反應(yīng)和神經(jīng)元發(fā)育。丁酸鹽的作用機(jī)制涉及激活G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）以及抑制組蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性等。然而，盡管以往研究揭示了丁酸鹽與多種疾病狀態(tài)的相關(guān)性，但由于缺乏有效工具來精確控制腸道丁酸鹽水平，其對宿主粘膜免疫的分子機(jī)制及疾病發(fā)病機(jī)理的具體影響迄今尚未得到充分解析。

現(xiàn)有研究手段，如通過補(bǔ)充膳食纖維來提升腸道丁酸鹽產(chǎn)量，或直接口服丁酸鹽，以及使用天然產(chǎn)丁酸的共生菌（如丁酸梭菌）等方法，都存在局限性。例如，膳食纖維對丁酸鹽產(chǎn)量的影響受到個體差異、微生物群落競爭及網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的復(fù)雜影響，導(dǎo)致丁酸鹽產(chǎn)生難以預(yù)測且宿主反應(yīng)各異；口服或灌腸給藥方式往往導(dǎo)致丁酸鹽在消化道中吸收不完全，限制了其在結(jié)腸部位的有效生物利用。此外，嚴(yán)格厭氧的丁酸生產(chǎn)菌在炎癥狀態(tài)下易受活性氧（ROS）抑制，且由于難以精確控制實(shí)驗條件，難以明確微生物代謝物丁酸鹽在宿主生理病理中的具體作用。面對這些挑戰(zhàn)，研究者們致力于開發(fā)更先進(jìn)的策略以實(shí)現(xiàn)腸道丁酸鹽的精確遞送與調(diào)控。

細(xì)胞焦亡（Pyroptosis）又稱細(xì)胞炎性壞死，是一種程序性細(xì)胞死亡，表現(xiàn)為細(xì)胞不斷脹大直至細(xì)胞膜破裂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物的釋放進(jìn)而激活強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)。細(xì)胞焦亡是機(jī)體一種重要的天然免疫反應(yīng)，在感染性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病、動脈粥樣硬化等疾病中發(fā)揮重要作用，其特征為依賴于炎性半胱天冬酶（主要是caspase-1，4，5，11），并伴有大量促炎癥因子的釋放，其形態(tài)學(xué)特征、發(fā)生及調(diào)控機(jī)制等均不同于凋亡、壞死等其他細(xì)胞死亡方式。

焦亡在體內(nèi)是一個極其復(fù)雜的過程，有許多調(diào)節(jié)機(jī)制控制著必需成分。其中，Gasdermins（GSDM）是一種由細(xì)胞質(zhì)感知侵襲性感染和危險信號而引發(fā)的炎癥性細(xì)胞死亡的關(guān)鍵介質(zhì)。一旦被激活，GSDM會形成細(xì)胞膜孔，釋放促炎細(xì)胞因子和警報，破壞細(xì)胞膜的完整性，引發(fā)炎癥細(xì)胞死亡。人類一共有6個GSDM基因，GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME和DFNB59。其中，GSDMD是一種焦亡關(guān)鍵效應(yīng)因子，其調(diào)控機(jī)制主要集中在影響其早期裂解的上游因素，包括發(fā)揮促炎或抗炎作用的多效焦亡相關(guān)復(fù)合物，參與諸多炎癥小體相關(guān)疾病和組織損傷的發(fā)病機(jī)制。

北京航空航天大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院的Xu Gong等人，于2023年9月在 《Metabolic Engineering》( I F =8.4，生物學(xué)Ⅰ區(qū))發(fā)表了題目為“Metabolic engineering of commensal bacteria for gut butyrate delivery and dissection of host-microbe interaction”的文章。在這項研究中，科研團(tuán)隊設(shè)計了一種兼性厭氧共生菌，使其能夠直接在腸粘膜表面遞送丁酸鹽，從而克服現(xiàn)有方法的局限性（尤其是針對炎癥腸道環(huán)境中ROS的影響）。他們選擇大腸桿菌Nissle 1917（EcN，被視為可用作益生菌）作為基礎(chǔ)菌株進(jìn)行基因工程改造，使其具備異源丁酸鹽合成能力，該工程菌能夠在炎癥結(jié)腸中定植并持續(xù)分泌丁酸鹽，從而在小鼠慢性結(jié)腸炎模型中顯著減輕炎癥癥狀，維護(hù)腸黏膜穩(wěn)態(tài)。該研究揭示：腸道菌產(chǎn)生的丁酸鹽，可以通過作為組蛋白去乙�；�酶HDAC3抑制劑，抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞中關(guān)鍵的焦亡執(zhí)行蛋白GSDMD，從而保護(hù)腸道免受炎癥損害，

02

所用到的主要方法

METHODS   

1.共軛過程

2.發(fā)酵條件

3.發(fā)酵產(chǎn)物的測定

4.動物實(shí)驗

5.小鼠結(jié)腸外植體

6.糞便中丁酸鹽濃度的測定

7.16S rRNA 基因擴(kuò)增子測序

8.RNA測序

9.細(xì)胞因子量化

10.免疫印跡和免疫熒光

11.細(xì)胞培養(yǎng)和處理

12.統(tǒng)計數(shù)據(jù)

03

文章主要內(nèi)容摘要

ABSTRACT 

大量研究報告指出，丁酸產(chǎn)生的共生菌群豐度減少與多種疾病存在相關(guān)性。然而，由于缺乏有效工具來控制腸道丁酸，對腸道丁酸如何對宿主黏膜免疫和發(fā)病過程起因果作用的分子水平機(jī)制知之甚少。研究人員工程化了一種允許厭氧的共生菌，將丁酸傳遞到腸黏膜表面，并將其應(yīng)用于分析腸道丁酸在小鼠慢性結(jié)腸炎模型中調(diào)節(jié)宿主腸道穩(wěn)態(tài)的因果作用。該研究在機(jī)制上展示了腸道丁酸可以作為組蛋白去乙�；�酶HDAC3抑制劑，對結(jié)腸上皮細(xì)胞焦亡關(guān)節(jié)效應(yīng)因子Gasdermin D（GSDMD）產(chǎn)生抑制作用，從而預(yù)防結(jié)腸炎并保持腸黏膜穩(wěn)態(tài)。總體而言，該研究為構(gòu)建合成活體傳遞細(xì)菌提供了一種新途徑，從而可以在分子水平來洞察解碼宿主-微生物界面的因果關(guān)系。

簡言之，本文的主要研究內(nèi)容有：

1.將丁酸生物合成途徑引入需氧性共生細(xì)菌載體；

2.優(yōu)化丁酸合成途徑提高丁酸產(chǎn)量；

3.工程EcN M3P2TA在結(jié)腸炎小鼠中定植并增加腸道丁酸鹽；

4.EcN M3P2TA遞送的腸道丁酸鹽可改善dss誘導(dǎo)的小鼠慢性結(jié)腸炎；

5.GSDMD是腸道丁酸鹽功效的關(guān)鍵候選基因；

6.腸道丁酸鹽主要通過抑制GSDMD來減輕小鼠慢性結(jié)腸炎；

7. 丁酸鹽作為HDAC3i抑制GSDMD的表達(dá)。

       原文標(biāo)題 : 應(yīng)用工程化益生菌，證實(shí)丁酸可通過調(diào)節(jié)組蛋白乙�；�，抑制腸道細(xì)胞焦亡