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文章背景簡介   

BACKGROUND INTRODUCTION

大量研究表明，腸道中產生丁酸鹽的共生菌數量減少與多種疾病的發(fā)生發(fā)展存在關聯。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)揮著關鍵作用，可以增強上皮屏障功能、調控宿主代謝、免疫反應和神經元發(fā)育。丁酸鹽的作用機制涉及激活G蛋白偶聯受體（GPCR）以及抑制組蛋白去乙�；�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制及疾病發(fā)病機理的具體影響迄今尚未得到充分解析。

現有研究手段，如通過補充膳食纖維來提升腸道丁酸鹽產量，或直接口服丁酸鹽，以及使用天然產丁酸的共生菌（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量的影響受到個體差異、微生物群落競爭及網絡效應的復雜影響，導致丁酸鹽產生難以預測且宿主反應各異；口服或灌腸給藥方式往往導致丁酸鹽在消化道中吸收不完全，限制了其在結腸部位的有效生物利用。此外，嚴格厭氧的丁酸生產菌在炎癥狀態(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)更先進的策略以實現腸道丁酸鹽的精確遞送與調控。

細胞焦亡（Pyroptosis）又稱細胞炎性壞死，是一種程序性細胞死亡，表現為細胞不斷脹大直至細胞膜破裂，導致細胞內容物的釋放進而激活強烈的炎癥反應。細胞焦亡是機體一種重要的天然免疫反應，在感染性疾病、神經系統(tǒng)相關疾病、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)學特征、發(fā)生及調控機制等均不同于凋亡、壞死等其他細胞死亡方式。

焦亡在體內是一個極其復雜的過程，有許多調節(jié)機制控制著必需成分。其中，Gasdermins（GSDM）是一種由細胞質感知侵襲性感染和危險信號而引發(fā)的炎癥性細胞死亡的關鍵介質。一旦被激活，GSDM會形成細胞膜孔，釋放促炎細胞因子和警報，破壞細胞膜的完整性，引發(fā)炎癥細胞死亡。人類一共有6個GSDM基因，GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME和DFNB59。其中，GSDMD是一種焦亡關鍵效應因子，其調控機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復合物，參與諸多炎癥小體相關疾病和組織損傷的發(fā)病機制。

北京航空航天大學醫(yī)學科學與工程學院的Xu Gong等人，于2023年9月在 《Metabolic Engineering》( I F =8.4，生物學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，科研團隊設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）作為基礎菌株進行基因工程改造，使其具備異源丁酸鹽合成能力，該工程菌能夠在炎癥結腸中定植并持續(xù)分泌丁酸鹽，從而在小鼠慢性結腸炎模型中顯著減輕炎癥癥狀，維護腸黏膜穩(wěn)態(tài)。該研究揭示：腸道菌產生的丁酸鹽，可以通過作為組蛋白去乙�；�酶HDAC3抑制劑，抑制結腸上皮細胞中關鍵的焦亡執(zhí)行蛋白GSDMD，從而保護腸道免受炎癥損害，

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所用到的主要方法

METHODS   

1.共軛過程

2.發(fā)酵條件

3.發(fā)酵產物的測定

4.動物實驗

5.小鼠結腸外植體

6.糞便中丁酸鹽濃度的測定

7.16S rRNA 基因擴增子測序

8.RNA測序

9.細胞因子量化

10.免疫印跡和免疫熒光

11.細胞培養(yǎng)和處理

12.統(tǒng)計數據

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文章主要內容摘要

ABSTRACT 

大量研究報告指出，丁酸產生的共生菌群豐度減少與多種疾病存在相關性。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，并將其應用于分析腸道丁酸在小鼠慢性結腸炎模型中調節(jié)宿主腸道穩(wěn)態(tài)的因果作用。該研究在機制上展示了腸道丁酸可以作為組蛋白去乙�；�酶HDAC3抑制劑，對結腸上皮細胞焦亡關節(jié)效應因子Gasdermin D（GSDMD）產生抑制作用，從而預防結腸炎并保持腸黏膜穩(wěn)態(tài)。總體而言，該研究為構建合成活體傳遞細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系。

簡言之，本文的主要研究內容有：

1.將丁酸生物合成途徑引入需氧性共生細菌載體；

2.優(yōu)化丁酸合成途徑提高丁酸產量；

3.工程EcN M3P2TA在結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誘導的小鼠慢性結腸炎；

5.GSDMD是腸道丁酸鹽功效的關鍵候選基因；

6.腸道丁酸鹽主要通過抑制GSDMD來減輕小鼠慢性結腸炎；

7. 丁酸鹽作為HDAC3i抑制GSDMD的表達。

       原文標題 : 應用工程化益生菌，證實丁酸可通過調節(jié)組蛋白乙酰化，抑制腸道細胞焦亡