Cell Metab | 应激如何引发腹泻型肠易激综合征：精胺介导的I型干扰素下降新机制

生物探索 · 公众号 · 生物 · 2024-10-05 15:30

正文

引言

腹泻型肠易激综合征 (Irritable Bowel Syndrome with diarrhea, IBS-D) 是一种影响结肠的常见消化系统疾病，其特征是反复出现的腹部不适、腹胀和排便改变，包括腹泻。IBS-D的发病被认为与胃肠道感染、饮食、遗传、心理压力等因素有关，这些因素导致了肠道通透性增加、免疫系统过度激活、肠道菌群失调和代谢紊乱【1】。然而，目前对压力诱导IBS-D的机制了解仍然有限，相关的病理改变和准确的药物靶点尚未明确。

压力被认为在肠易激综合征腹泻型（IBS-D）的发展和恶化中起着重要作用。压力可以通过改变肠道肌肉的收缩来影响消化系统功能，导致排便习惯的变化，然而压力诱发IBS-D的机制尚不清楚。我们之前的一项工作中长期压力直接引起CD4⁺ T 细胞产生过量黄嘌呤【2】。然而，嘌呤代谢是否是压力诱导的IBS中最重要的因素以及其底层机制尚不清楚。

2024年10月3日，中山大学附属第三医院靳津团队在Cell Metabolism杂志在线发表了题为Stress triggers irritable bowel syndrome with diarrhea through a spermidine-mediated decline in type I interferon 的研究论文，揭示了压力诱发腹泻型肠易激综合征的机制。作者发现，压力导致的黄嘌呤过度产生，会改变肠道中鼠乳杆菌的丰度和代谢特性。鼠乳杆菌产生的亚精胺可以通过抑制TRAF3的K63链聚泛素化来抑制树突状细胞中I型干扰素（IFN-α）的基线表达。IFN-α的减少限制了结肠平滑肌细胞的收缩功能，导致排便次数增加。该研究为压力引起的IBS-D的病理机制提供了理论基础，并为新的药物靶点提供了新的方向。

研究者首先对IBS-D患者进行了心理状态评估，发现IBS-D患者的焦虑评分和频率显著增加。同时各种压力构建的小鼠模型都能够诱发IBS相关症状，证实了心理压力可以直接诱发类IBS-D症状的发生。研究者之前的工作表明压力会促使CD4⁺T细胞产生大量的黄嘌呤，导致焦虑症状【2】。与之一致，IBS-D病人和压力模型小鼠的血清代谢组结果也显示，血清黄嘌呤水平的上调。有趣的是，腹腔注射黄嘌呤可以直接诱导IBS相关症状的发生。为了阐明黄嘌呤诱导的IBS-D样症状的分子特征异质性，作者将对照组和黄嘌呤处理小鼠的结肠细胞进行了单细胞核RNA测序（snRNA-seq）。结果显示，黄嘌呤可以直接增强小鼠结肠平滑肌细胞收缩相关基因的表达，同时抑制I型干扰素相关通路的基因和干扰素刺激基因（ISGs）的表达。提示IFN-I信号通路的破坏可能参与了IBS-D的发生。

免疫组化结果显示，IFN-α和IFN-β在内的I型干扰素（IFN-I）在压力和黄嘌呤诱导的IBS小鼠结肠组织中明显减少，也进一步验证了snRNA-seq的结果。为确定结肠中IFN-I的来源，作者用流式分选的方法分离了上皮细胞和传统树突状细胞（cDCs）、浆细胞样树突状细胞（pDCs）以及巨噬细胞。qPCR实验结果表明，Ifna主要高表达于pDCs细胞中，而在黄嘌呤和压力诱导的IBS小鼠pDCs中被抑制。体外的收缩凝胶实验和钙流实验均表明，IFN-I可以直接抑制平滑肌细胞的收缩。这些结果表明，pDCs细胞来源的IFN-I的基础水平对维持平滑肌细胞的生理功能至关重要，它们的下调导致了高内脏敏感性的发生。

肠道菌群及其代谢物的失衡在IBS-D中扮演着重要的角色。作者发现在多种小鼠IBS的诱导模型中均鉴定出鼠乳杆菌的上调，但是经过压力或黄嘌呤处理后A2B^-/-小鼠粪便中的L. murinus并没有明显增加，说明鼠乳杆菌在A2B的下游发挥作用。鼠乳杆菌能够直接诱导野生型小鼠和无菌小鼠的IBS相关症状。为了研究鼠乳杆菌扩增的潜在机制，作者取未处理的野生型对照组、压力组和黄嘌呤组小鼠的结肠粘液过滤并定量后，在体外与鼠乳杆菌孵育培养。结果显示，压力组和黄嘌呤组小鼠粘液能够明显促进鼠乳杆菌的增殖。作者通过DNAse I和RNAse I消化去除核酸，或通过煮沸去除所有蛋白质的方式，最终确定蛋白成分是促进鼠乳杆菌增殖能力的关键物质。进一步研究发现粘液中的血红蛋白刺激上调了鼠乳杆菌呼吸链相关基因（CydABCD）的表达，促进鼠乳杆菌氧化呼吸代谢从而导致其过度生长。

有研究表明，肠道微生物产生的代谢物可作为IBS的病因因素【3-5】。为了探究鼠乳杆菌最终是通过怎样的机制抑制了pDC细胞IFN-I表达，作者首先对各种IBS模型小鼠的粪便进行代谢组学分析。结果显示，亚精胺在多个IBS模型小鼠的粪便中含量明显升高。目前的研究认为，肠道部位的亚精胺浓度主要依赖于结肠微生物群【6】。因此，作者将鼠乳杆菌中亚精胺合成关键酶编码基因SpeC/SecF进行突变，有趣的是，突变后的鼠乳杆菌生长受到抑制，且不会诱导小鼠IBS相关症状。进一步说明鼠乳杆菌产生的亚精胺是导致IBS相关症状的直接原因。体外实验证明，亚精胺能够抑制CpG2216或LPS诱导的pDC细胞中IFN-α的蛋白和基因表达。进一步的机制研究表明，亚精胺通过抑制TRAF3-K63位点的多聚泛素化，抑制一型干扰素的表达。由亚精胺调节的干扰素基本水平对于维持SMC的生理功能至关重要，其下调会导致类似IBS-D的症状。

本研究发现压力诱导腹泻型肠易激综合征的机制，解析了压力诱导亚精胺产生的过程，以及亚精胺通过抑制一型干扰素表达而促进结肠平滑肌细胞的收缩的机制（图1）。

图1 示意图（Credit: Cell Metabolism）

参考文献

1 Ford, A. C., Lacy, B. E. & Talley, N. J. Irritable Bowel Syndrome. New England Journal of Medicine 376, 2566-2578, doi:10.1056/NEJMra1607547 (2017).

2 Fan, K.-q. et al. Stress-Induced Metabolic Disorder in Peripheral CD4⁺ T Cells Leads to Anxiety-like Behavior. Cell 179, 864-879.e819, doi:10.1016/j.cell.2019.10.001 (2019).

3 Xiao, L., Liu, Q., Luo, M. & Xiong, L. Gut Microbiota-Derived Metabolites in Irritable Bowel Syndrome. Front Cell Infect Microbiol 11, 729346-729346, doi:10.3389/fcimb.2021.729346 (2021).

4 James, S. C., Fraser, K., Young, W., McNabb, W. C. & Roy, N. C. Gut Microbial Metabolites and Biochemical Pathways Involved in Irritable Bowel Syndrome: Effects of Diet and Nutrition on the Microbiome. J Nutr 150, 1012-1021, doi:10.1093/jn/nxz302 (2020).

5 Liu, S. et al. Multi-omics Analysis of Gut Microbiota and Metabolites in Rats With Irritable Bowel Syndrome. Front Cell Infect Microbiol 9, 178-178, doi:10.3389/fcimb.2019.00178 (2019).

6 Matsumoto, M. et al. Impact of intestinal microbiota on intestinal luminal metabolome. Scientific reports 2, 233, doi:10.1038/srep00233 (2012).

https://www.cell.com/cell-metabolism/abstract/S1550-4131(24)00366-8

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“BioArt”

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