研究揭示腸道共生菌調(diào)控胰島beta細(xì)胞胰島素的分泌 促進(jìn)血糖平衡的分子機(jī)制

數(shù)以百億計(jì)的微生物與宿主構(gòu)成共生關(guān)系，越來(lái)越多的證據(jù)表明腸道微生物在幫助宿主對(duì)食物的消化吸收之外的其它生理活動(dòng)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(zhǎng)期的共進(jìn)化過(guò)程中演化出的共生機(jī)制。

參與代謝調(diào)控是腸道菌影響宿主機(jī)體健康的重要方面。一方面腸道菌通過(guò)其強(qiáng)大的代謝能力以降解腸道中復(fù)雜多糖與宿主實(shí)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(shì)必增加機(jī)體對(duì)胰島素的需求。已有研究發(fā)現(xiàn)了腸道菌來(lái)源的短鏈脂肪酸通過(guò)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(lái)源的信號(hào)而調(diào)控胰島素的分泌目前尚無(wú)報(bào)道。

6月14日，中國(guó)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(guò)表達(dá)胞內(nèi)細(xì)菌肽聚糖受體Nod1來(lái)感知腸道菌的配體信號(hào)，以協(xié)助胰島素囊泡的順勢(shì)轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)胰島素的分泌。同時(shí)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(gè)細(xì)胞質(zhì)，而在失去腸道菌刺激的無(wú)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(shuō)明腸道菌信號(hào)對(duì)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(hào)的分子機(jī)制，研究人員對(duì)GF小鼠回補(bǔ)了不同腸道菌配體，發(fā)現(xiàn)只有激活模式識(shí)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(yùn)。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(lèi)似的胰島素轉(zhuǎn)運(yùn)、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(duì)Nod1促進(jìn)胰島素囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制進(jìn)行深入解析時(shí)發(fā)現(xiàn)，胰島beta細(xì)胞受腸道菌來(lái)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R(shí)ip2及內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(shì)轉(zhuǎn)運(yùn)。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(shuō)，腸道菌調(diào)控胰島素分泌的過(guò)程依賴(lài)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(hào)傳遞。

該研究工作表明，在常規(guī)SPF小鼠中，由腸道來(lái)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(bǔ)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(shuō)明了細(xì)菌配體與胰島beta細(xì)胞中Nod1受體，對(duì)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(jī)體代謝的新功能及分子機(jī)制，提示腸道溶菌酶產(chǎn)生的腸道菌衍生物分子在機(jī)體生理活動(dòng)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(guò)影響內(nèi)膜系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)參與代謝的這一更廣泛的分子機(jī)制，更暗示了腸道溶菌酶在腸道菌與機(jī)體互作間的橋梁作用，為腸道菌調(diào)控腸外組織生理活動(dòng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fèi)支持主要來(lái)自科技部、國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室熒光成像平臺(tái)、第三軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物平臺(tái)、清華大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、質(zhì)譜分析平臺(tái)等的大力支持。