2型糖尿病和腸道微生物代謝產(chǎn)物

2型糖尿病（Type 2 diabetes, T2D）作為一種常見于成年人群的代謝疾病，與肥胖、非酒精性脂肪肝和心血管疾病等密切相關(guān)，已成為全球日益嚴(yán)峻的健康問題。近些年的研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物（尤其是膽汁酸）在宿主葡萄糖穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。某些膽汁酸及其類似物被證實(shí)可以改善宿主代謝，但治療中存在的副作用（尤其是頑固性瘙癢癥）阻礙了膽汁酸相關(guān)藥物的臨床應(yīng)用。因此開發(fā)膽汁酸資源庫，探索其在生理、病理情況下的作用機(jī)制對于突破當(dāng)下膽汁酸的應(yīng)用局限至關(guān)重要。

研究內(nèi)容概述

2025年5月29日，北京大學(xué)姜長濤教授、龐艷莉教授、紀(jì)立農(nóng)教授團(tuán)隊聯(lián)合山東大學(xué)孫金鵬教授團(tuán)隊、于曉教授團(tuán)隊在《Cell》（IF = 45.5）發(fā)表了題為“A microbial amino-acid-conjugated bile acid, tryptophan-cholic acid, improves glucose homeostasis via the orphan receptor MRGPRE”的研究文章，首次揭示了微生物源氨基酸結(jié)合膽汁酸（MABAs）在T2D中的關(guān)鍵作用，并探討了新型MABA——色氨酸結(jié)合膽酸（Trp-CA）成為T2D治療靶點(diǎn)的可能性。研究發(fā)現(xiàn)，Trp-CA在T2D患者體內(nèi)顯著減少，其豐度與臨床血糖指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。通過動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)Trp-CA可改善葡萄糖耐量，并首次闡明其通過激活孤兒G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）Mas相關(guān)G蛋白偶聯(lián)受體家族成員E（MRGPRE），經(jīng)Gs-環(huán)磷酸腺苷（cAMP）和β-抑制蛋白1（β-arrestin-1，由ARRB1基因編碼）-果糖二磷酸醛縮酶A（ALDOA）雙信號通路發(fā)揮代謝調(diào)控作用的分子機(jī)制，同時鑒定出動物乳雙歧桿菌（Bifidobacterium animalis subsp. lactis）產(chǎn)生的膽鹽水解酶/轉(zhuǎn)移酶（BSH/T）是Trp-CA的生物合成關(guān)鍵酶。這些發(fā)現(xiàn)為理解腸道菌群-膽汁酸代謝軸在T2D中的作用提供了新視角，并為開發(fā)基于MABAs的糖尿病治療新靶點(diǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。

在本研究中，漢恒生物有幸為作者提供了表達(dá)Cre重組酶的腺病毒：pAdEasy-CMV-CRE和Aldoa敲低的慢病毒：pHBLV-U6-shAldoa-CMV-ZsGreen-PGK-PURO，分別用于回腸和結(jié)腸條件性Gnas敲除小鼠的建立以及Aldoa的敲低。

下面，我們一起來了解具體的研究內(nèi)容：

研究結(jié)果解讀

1.Trp-CA可緩解高脂飲食（HFD）誘導(dǎo)的葡萄糖不耐受

作者首先通過臨床與動物實(shí)驗(yàn)揭示了Trp-CA在糖代謝調(diào)控中的關(guān)鍵作用。臨床分析顯示，T2D患者糞便中Trp-CA水平顯著低于健康人群，且其濃度與空腹血糖（FBG）、糖化血紅蛋白（%HbA1c）及BMI呈顯著負(fù)相關(guān)。動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，HFD小鼠的Trp-CA水平降低，而外源性補(bǔ)充Trp-CA可顯著改善糖耐量，并在2周內(nèi)產(chǎn)生獨(dú)立于減重的降糖效應(yīng)。機(jī)制研究表明，Trp-CA的合成依賴腸道菌群，且在離體菌群環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)于甘氨膽酸（GCA）的穩(wěn)定性。除此之外，Trp-CA治療還能降低HFD小鼠的體重增幅和體脂積累。這些結(jié)果表明，Trp-CA是T2D相關(guān)的潛在生物標(biāo)志物，且其由腸道菌群調(diào)控，在HFD小鼠治療早期直接改善糖代謝，后期通過減重間接緩解胰島素抵抗。

圖1. Trp-CA緩解HFD誘導(dǎo)的葡萄糖不耐受

2. Trp-CA是孤兒GPCR受體MRGPRE的內(nèi)源性配體

確定Trp-CA與代謝的潛在聯(lián)系后，作者進(jìn)一步研究了Trp-CA在體內(nèi)的分布及作用機(jī)制。結(jié)果顯示其作用機(jī)制與空間分布密切相關(guān)：Trp-CA在腸道內(nèi)容物和糞便中濃度極高，但無法被吸收入血液，且僅結(jié)腸局部給藥能顯著促進(jìn)雙相胰島素分泌、提高葡萄糖輸注率并抑制肝糖生成，表明其通過腸道局部受體發(fā)揮作用。功能篩選排除了經(jīng)典膽汁酸受體（TGR5/FXR/VDR/PXR）的參與，而基于腸道GPCR表達(dá)譜的高通量篩選鎖定MRGPRE為Trp-CA顯著激活的唯一受體。結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示：Trp-CA結(jié)合誘導(dǎo)人源和小鼠MRGPRE胞外區(qū)構(gòu)象重排，從分子層面闡明激活機(jī)制?；蚬δ軐?shí)驗(yàn)證實(shí)MRGPRE的必要性：① 全身性敲除（Mrgpre）或腸道特異性敲除（Mrgpre）小鼠中，Trp-CA改善高脂飲食誘導(dǎo)的糖耐量受損、降低肝糖生成及促進(jìn)胰島素分泌的作用完全消失；②Mrgpre小鼠本身加重糖代謝紊亂，且阻斷Trp-CA對體重和脂肪量的有益調(diào)節(jié)。綜上，Trp-CA作為腸道富集的內(nèi)源性分子，通過特異性激活腸上皮GPCR受體MRGPRE調(diào)控葡萄糖穩(wěn)態(tài)。

圖2. Trp-CA是孤兒受體MRGPRE的內(nèi)源性配體

3. Trp-CA通過MRGPRE激活誘導(dǎo)GLP-1分泌

確認(rèn)Trp-CA的受體后，作者對下游機(jī)制進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)表明Trp-CA處理可上調(diào)結(jié)腸Gcg基因（編碼胰高血糖原）的表達(dá)，選擇性提高口服葡萄糖后的血清胰高血糖素樣肽GLP-1和胰島素水平。在GLP-1受體被拮抗后，Trp-CA仍能刺激GLP-1分泌但降糖效應(yīng)消失，證實(shí)其作用依賴GLP-1通路。隨后，作者通過MRGPRE基因敲除模型（Mrgpre和Mrgpre小鼠）得到了關(guān)鍵性證據(jù)：敲除小鼠中Trp-CA誘導(dǎo)的GLP-1/胰島素分泌增強(qiáng)效應(yīng)完全消失。單細(xì)胞測序證實(shí)MRGPRE在GCG? L細(xì)胞中特異性高表達(dá)，且Trp-CA可顯著促進(jìn)人/鼠L細(xì)胞系的GLP-1分泌，該效應(yīng)在敲低Mrgpre后被阻斷。這些結(jié)果表明腸道局部富集的Trp-CA通過特異性激活L細(xì)胞膜上的MRGPRE受體，顯著促進(jìn)胰高血糖素樣肽GLP-1的分泌，揭示了Trp-CA-MRGPRE-GLP-1軸在腸道局部調(diào)控葡萄糖穩(wěn)態(tài)的新機(jī)制。

圖3. Trp-CA通過促進(jìn)GLP-1分泌改善葡萄糖耐量

4.MRGPRE的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)及其與Trp-CA的相互作用

確定Trp-CA-MRGPRE-GLP-1軸的作用后，作者進(jìn)一步證實(shí)了Trp-CA可以特異性激活MRGPRE，誘導(dǎo)Gs解離并升高cAMP水平，而Gs-cAMP信號是L細(xì)胞分泌GLP-1的經(jīng)典途徑，細(xì)化了信號傳導(dǎo)的路徑。隨后，作者通過高分辨率的結(jié)構(gòu)分析研究了Trp-CA和MRGPRE之間的相互作用，由于Trp-CA-hMRGPRE復(fù)合物易聚集，作者轉(zhuǎn)而采用斑馬源同源受體eqMRGPRE和替代配體2-MOA成功解析了2.5?分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)?；诖藰?gòu)建的hMRGPRE同源模型顯示，Trp-CA結(jié)合于MRGPRE跨膜域Site1口袋：其膽酸甾核的C3/C7/C12羥基分別與H261/R103/Y107形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，色氨酸側(cè)鏈嵌入疏水腔（L99/A100/Y251），羧基與H252產(chǎn)生電荷作用。隨后，通過功能驗(yàn)證表明羥基缺失衍生物（Trp-CDCA/Trp-DCA）喪失激活能力，關(guān)鍵殘基突變（R103A/Y107A/H261A）顯著削弱Gs信號和GLP-1分泌，證實(shí)該結(jié)合模式是Trp-CA特異性激活MRGPRE并觸發(fā)GLP-1分泌的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖4. Trp-CA結(jié)合并激活hMRGPRE的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

5.Trp-CA部分通過MRGPRE-β-arrestin-1-ALDOA途徑誘導(dǎo)GLP-1分泌

確定了Trp-CA特異性激活MRGPRE介導(dǎo)的GLP-1分泌中Gs-cAMP信號通路的存在后，作者發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)外抑制Gs-cAMP通路僅部分逆轉(zhuǎn)了Trp-CA的作用，表明可能有其他信號通路參與MRGPRE介導(dǎo)的GLP-1分泌。而抑制蛋白作為G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）信號傳導(dǎo)下游效應(yīng)物的支架，其信號體的存在獨(dú)立于GPCR-G蛋白復(fù)合物傳遞特定功能?；诖俗髡甙l(fā)現(xiàn)MRGPRE在Trp-CA刺激下以劑量依賴性募集β-arrestin-1，且當(dāng)抑制Gs-cAMP通路僅部分逆轉(zhuǎn)Trp-CA效應(yīng)時，ARRB1的敲除可完全阻斷其促分泌作用。磷酸化蛋白質(zhì)組分析顯示，Trp-CA通過β-arrestin-1特異性調(diào)控162個磷酸化蛋白，其中糖酵解關(guān)鍵酶——ALDOA的S39位點(diǎn)磷酸化最為顯著。機(jī)制研究表明β-arrestin-1作為支架蛋白促進(jìn)MRGPRE-ALDOA復(fù)合物形成，S39磷酸化增強(qiáng)醛縮酶活性和糖酵解通量，提升ATP水平進(jìn)而驅(qū)動GLP-1的分泌。ALDOA-S39E（磷酸化模擬突變）可增強(qiáng)糖酵解，而S39A（非磷酸化模擬突變）則削弱該效應(yīng)。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，腸道特異性敲除ALDOA或ARRB1均會損害Trp-CA對葡萄糖穩(wěn)態(tài)的改善作用。綜上所述，Trp-CA通過Gs-cAMP通路和β-arrestin-1-ALDOA磷酸化軸協(xié)同增強(qiáng)糖酵解，增加GLP-1分泌以調(diào)節(jié)葡萄糖代謝。

圖5. Trp-CA通過誘導(dǎo)ALDOA磷酸化促進(jìn)細(xì)胞糖酵解

圖6. Trp-CA部分通過MRGPRE-β-arrestin-1-ALDOA途徑誘導(dǎo)GLP-1分泌

6.產(chǎn)生的BSH/T是催化Trp-CA合成的關(guān)鍵酶

最后，為了確定Trp-CA的潛在細(xì)菌生產(chǎn)者，作者通過實(shí)驗(yàn)篩選了98種細(xì)菌，涵蓋了主要的腸道細(xì)菌門。結(jié)果顯示，有4種雙歧桿菌可高效合成Trp-CA，其中動物乳雙歧桿菌產(chǎn)量最高。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)由其產(chǎn)生的BSH/T（BAL BSH/T）純化后可直接催化Trp-CA生成。為驗(yàn)證該酶功能，作者通過CRISPR-Cas9技術(shù)建立可產(chǎn)生BAL BSH/T的工程大腸桿菌。研究顯示移植該工程菌或均能顯著改善高脂飲食小鼠的葡萄糖耐受性，并提升GLP-1和胰島素水平。以上結(jié)果表明，通過BSH/T合成Trp-CA，經(jīng)MRGPRE受體通路調(diào)節(jié)宿主的GLP-1分泌和葡萄糖穩(wěn)態(tài)。

圖7. 通過BSH/T催化Trp-CA合成

總結(jié)

綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)一種由腸道共生菌——通過BSH/T催化合成新型膽汁酸代謝物Trp-CA，該代謝物作為孤兒GPCR受體MRGPRE的內(nèi)源性配體，通過Gs-cAMP和β-arrestin-1-ALDOA雙信號通路促進(jìn)腸道L細(xì)胞分泌GLP-1，從而改善高脂飲食誘導(dǎo)的糖代謝異常。而臨床數(shù)據(jù)顯示2型糖尿病患者糞便中Trp-CA水平顯著降低，且與血糖指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。因此該研究不僅揭示了微生物-宿主共代謝調(diào)控葡萄糖穩(wěn)態(tài)的新機(jī)制，更為T2D的微生物療法提供了新靶點(diǎn)。

圖形摘要. Trp-CA通過孤兒受體MRGPRE改善葡萄糖體內(nèi)平衡

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網(wǎng)址: Cell丨漢恒助力北大/山大合作開發(fā)2型糖尿病微生物療法新靶點(diǎn) http://www.u1s5d6.cn/newsview1509274.html