Cholan PM, Han A, Woodie BR, Watchon M, Kurz ARM, Laird AS, Britton WJ, Ye L, Holmes ZC, McCann JR, David LA, Rawls JF, Oehlers SH
悉尼大学百年研究所 | 杜克大学医学院
Gut Microbes, 2020, 12(1): 1824563 doi:10.1080/19490976.2020.1824563
收稿:2020-05-14 修回:2020-08-11 接受:2020-09-08 发表:2020-10-16
摘要
短链脂肪酸(SCFAs)是肠道菌群发酵膳食纤维的产物。丁酸是其中尤为重要的 SCFA,具有抗炎属性,在哺乳动物肠道菌群失调相关的炎症性疾病中通常处于较低水平。我们旨在确定斑马鱼菌群是否产生 SCFA,以及 SCFA 是否对斑马鱼免疫产生保守效应,作为非哺乳动物脊椎动物免疫系统的例子。我们证明,成年斑马鱼肠道的细菌群落在体外能合成全部三种主要 SCFA,尽管在斑马鱼肠道内体内检测不到这些 SCFA。浸泡丁酸——而非乙酸或丙酸——减少了中性粒细胞和 M1 型促炎巨噬细胞向伤口的募集。我们发现中性粒细胞通过羟基羧酸受体 1(hcar1)的直系同源基因感应丁酸,这一感应机制是保守的。来自 Hcar1 缺失胚胎的中性粒细胞不再响应丁酸的抗炎效应,而巨噬细胞对丁酸的敏感性则独立于 Hcar1。我们的数据证明了丁酸抗炎效应的保守性,并鉴定出鱼中存在一个保守的分子受体。
导言:把"菌群—丁酸—抗炎"这条线往前推 4 亿年
丁酸是肠道菌群发酵膳食纤维的明星代谢物,在哺乳动物中抗炎作用明确。它对鱼有没有用?本文给出三个干脆的答案:① 斑马鱼肠道菌群确实能在体外合成三种主要 SCFA,但比例(90:5:5)与人结肠(60:20:20)不同;② 浸泡丁酸能抑制斑马鱼中性粒细胞向伤口募集,但乙酸和丙酸不行;③ 中性粒细胞靠 HCAR1 受体感应丁酸——这条"丁酸-Hcar1-中性粒细胞"轴从 4.2 亿年前的共同祖先一路保守到人。更有意思的是,巨噬细胞对丁酸的响应走的是另一条不依赖 HCAR1 的 HDAC 通路。
一、SCFAs:菌群给宿主的"抗炎礼包"
短链脂肪酸(SCFAs)——乙酸、丙酸、丁酸——是大肠菌群厌氧发酵膳食纤维的产物。它们的抗炎机制主要有两条:抑制组蛋白去乙酰化酶(HDAC),以及激活 G 蛋白偶联受体(GPCR)。哺乳动物研究汗牛充栋,但鱼类里丁酸抗炎的机制从没被报道过。
斑马鱼是检验"保守性"的理想平台:肠道免疫关键分子(TLR、NLR)与哺乳动物同源,身体透明、适合活体成像。但此前连"斑马鱼肠道能不能产生 SCFA"都没定论——宏基因组里查到了丁酸代谢基因,关键的丁酰 CoA:乙酸 CoA 转移酶却一直没检出。
图 1 | 斑马鱼肠道菌群体外合成 SCFA。常规饲养成年斑马鱼肠道微生物群在 BHI、Gifu 两种培养基中的 SCFA 产量;"Negative"为培养基本底。乙酸在有氧/厌氧条件下均可合成,丁酸与丙酸仅在厌氧条件下检出。BHI 厌氧条件下三种 SCFA 比例约为 90:5:5(n = 2)。
二、体内测不到,体外却产得欢
第一个反直觉的结果:直接测成年斑马鱼肠道内容物,三种 SCFA 全部低于检测限(0.00132 mmol/g)。但把肠道菌群取出来培养,它们有能力合成全部三种 SCFA。
为什么体内测不到?作者推测:要么斑马鱼把肠道内产生的 SCFA 代谢得极快,要么实验饲料蛋白含量太高、纤维太少(缺底物)。另外菌群组成也是因素——斑马鱼肠道以变形菌门和梭杆菌门为主,而人和小鼠以拟杆菌门和厚壁菌门为主,所以产酸比例 90:5:5 与哺乳动物结肠的 60:20:20 明显不同。
关键点:斑马鱼菌群"会做"丁酸,只是体内环境没让它积累。这使接下来"外源丁酸是否有效"的问题变得更有意义。
图 2 | 丁酸减少中性粒细胞向伤口募集。A 标准切割位点(横断背主动脉与主静脉)与活体成像用尾鳍切位示意;B 伤后 6 hpw 各处理组中性粒细胞计数——丁酸组显著减少,地塞米松(阳性对照)同样有效,乙酸、丙酸无效(P = 0.0008);C 丁酸处理的中性粒细胞运动速度降低(P = 0.0044);D 蜿蜒指数升高(P = 0.012);E 2 dpf 胚胎(肠道成形前)中丁酸同样抑制募集(P = 0.0026)。
三、只有丁酸管用,中性粒细胞是主角
尾鳍切断是最常用的斑马鱼急性炎症模型。把胚胎泡在 30 mM 的各种 SCFA 里,结果高度分化:只有丁酸显著减少伤后 6 小时向伤口募集的中性粒细胞,乙酸和丙酸毫无作用,地塞米松作为阳性对照有效。
活体追踪进一步显示,丁酸不仅让人少,还让"到场"的中性粒细胞跑得更慢、路径更绕——运动行为被系统性改变。更惊人的是,2 dpf 胚胎(肠道尚未成形、卵膜基本隔绝微生物)同样对丁酸敏感,说明感应 SCFA 的能力在发育早期就已编程,不依赖菌群定植。
图 3 | 丁酸减少巨噬细胞募集并抑制其促炎分化。A 伤后 6 hpw 巨噬细胞荧光面积——丁酸减少、丙酸反而增加;B 24 hpw(消退期)趋势保持;C tnfa 启动子荧光总面积在丁酸组显著降低;D 双转基因(红=巨噬细胞,绿=tnfa 活性)代表性图像;E tnfa 阳性巨噬细胞比例从对照约 55% 降至丁酸组约 15%(P < 0.0001)。
四、巨噬细胞也被丁酸"劝退",但走的另一条路
对巨噬细胞,丁酸做了两件事:一是减少募集(6 hpw 与 24 hpw 都成立);二是降低极化——用 tnfa:gfp 报告鱼看,tnfa 阳性巨噬细胞比例从约 55% 掉到约 15%,等于把促炎的 M1 型拉向抗炎方向。
一个细节值得注意:丙酸在斑马鱼里是促炎的——它反而增加了巨噬细胞募集和纤维蛋白凝块积累。这与哺乳动物里丙酸盐的抗炎效应相反,但与硬骨鱼养殖文献中丙酸盐的"免疫刺激"报道一致。物种差异,可能比想象的大。
毒性方面作者也做了把关:纤维蛋白沉积与血小板聚集两项止血指标均不受丁酸影响——排除"白细胞变少是因为鱼被毒坏了"的替代解释。
图 4 | 斑马鱼 Hcar1 受体表征与 CRISPR 验证。A 共线性图——人 12 号、小鼠 5 号、斑马鱼 10 号染色体上 HCAR1 与邻近基因(DENR/CCDC62/HIP1R)的保守排布,斑马鱼含 hcar1a/hcar1b 两个串联拷贝;B hcar1 在肠道的表达高于躯体(P = 0.042);C CRISPR 敲低使 hcar1 转录本下降约 50%(P = 0.026);D crispant 胚胎形态正常;E hcar1 敲低后丁酸不再抑制中性粒细胞募集(对照胚胎 P = 0.0048,crispant P = 0.78);F 巨噬细胞募集的抑制不依赖 hcar1;G tnfa 表达的抑制同样不依赖 hcar1。
五、一个受体,两种机制:这是本文最漂亮的结果
作者在斑马鱼 10 号染色体上找到了哺乳动物 HCAR1 的同源物——还是串联重复的两个拷贝(hcar1a/hcar1b,氨基酸同一性 89%,与人 HCAR1 约 43% 同一)。表达分析显示 hcar1 在中性粒细胞中富集,肠道表达高于躯体其他部分。
CRISPR 敲低(约 50% 敲低、发育正常)后的结果泾渭分明:
中性粒细胞:丁酸效应完全消失(P 从 0.0048 变成 0.78)→ 依赖 Hcar1。
巨噬细胞募集:丁酸效应照常存在 → 不依赖 Hcar1。
tnfa 表达抑制:丁酸效应照常存在 → 不依赖 Hcar1。
这与哺乳动物的机制图谱完全对上:中性粒细胞靠细胞表面的 HCAR1 受体感应丁酸;巨噬细胞则靠丁酸自由扩散入胞抑制 HDAC——本文用 H3K9/H4K5 乙酰化升高且不受 hcar1 敲低影响,直接验证了这条 HDAC 通路。同一分子、同一动物体内、两条独立通路,分工精确到细胞谱系,而且4.2 亿年前就是这样的。
六、结论速览
1. 斑马鱼肠道菌群有能力合成三种 SCFA,但体内检测不到(可能被快速代谢或饲料缺底物);
2. 浸泡丁酸抑制中性粒细胞向伤口募集,且 2 dpf(肠道成形前、无菌状态)依然有效;
3. 丁酸同步减少巨噬细胞募集、把巨噬细胞从 tnfa+ 促炎态拉回;丙酸反而促炎;
4. "丁酸-Hcar1-中性粒细胞"轴与"丁酸-HDAC-巨噬细胞"轴双通路保守,分工精确到谱系;
5. 止血指标无异常,排除毒性假象。
七、一句话点评
"菌群-丁酸-抗炎"这条线在哺乳动物里已经卷得厉害,本文的价值在于把时间轴往前推了 4 亿年:丁酸的免疫调节不是哺乳动物的新发明,而是脊椎动物的老家底。对鱼类养殖(丙酸促炎的提示直接可用)和对人类炎症性肠病研究(斑马鱼可作为高通量活体筛选平台)都有实际意义。简洁的简报体量、干净的 CRISPR 验证,是一篇"小而美"的典型工作。
关于木芮生物ABOUT MURUIBIO
苏州木芮生物科技有限公司(以下简称“木芮生物”)成立于2018年1月22日,是一家致力于以斑马鱼为模式生物提供生物医学基础科研服务、斑马鱼实验操作试剂盒、斑马鱼临床疾病模型、其他生物学实验试剂以及进行斑马鱼应用技术转化的高科技公司。木芮生物以斑马鱼为模式生物,建立起了上百种的临床疾病模型,深入探索相关疾病发生的深层次疾病机制, 进而为临床治疗疾病提供可行的治疗方案或者药物筛选机制。到目前为止,木芮生物已经建立起包括遗传、行为、 细胞、 生化分子等斑马鱼相关成熟的技术,并且依托这些技术成功将斑马鱼应用到基础科研、毒理测试、癌症药物筛选、 中药药效成分筛选、保健品开发和功效评价。木芮生物经过七年的快速发展,公司现已有核心创业团队成员20余人,其中博士研究生1人,硕士研究生6人,本科生10余人。木芮生物成立后,陆续与江苏省产业研究院和苏州纳米应用技术研究所等科研单位建立起了科研合作,建立了“模式生物技术与应用研发中心”;公司于2020年被认定为“国家高新技术企业”,于 2021年底获得苏州工业园区“领军成长企业”称号。