Nature重磅：肠道细菌通过降解肠道尼古丁缓解与吸烟相关的NASH

背景

作为人类最常见的不健康行为之一，世界卫生组织将吸烟列为全球可预防死亡的主要原因。戒烟是延长寿命最有效的方式，但由于尼古丁具有强大的成瘾性和戒断症状，戒烟并不容易实现。尼古丁降解最近被认为是阻断尼古丁诱导的病理的一种策略。NAFLD包括一系列病理，通常从单纯性脂肪变性 (定义为非酒精性脂肪肝 [NAFL])进展为NASH，然后在某些情况下进展为肝硬化和肝细胞癌。由于肠道产生的代谢物通过肠-肝轴在NAFLD的进展中发挥重要作用，因此确定肠道尼古丁蓄积和肠道代谢物与NAFLD进展之间的关系可为研究吸烟相关肝脏疾病提供新的思路。在本研究中，我们报告了吸烟期间尼古丁在肠道中蓄积并加速了NAFLD的进展，但它可以被人类共生菌木聚糖芽孢杆菌有效降解。这些发现阐明了肠道尼古丁蓄积的病理效应，并确定了一种内源性尼古丁降解肠道细菌，该细菌对预防和治疗吸烟者的NASH具有潜在价值。

简介

2022年10月19日，来自中国北京大学基础医学院的Bo Chen及其团队在Nature (IF: 42.778)杂志上发表名为Gut bacteria alleviate smoking-related NASH by degrading gut nicotine的研究[1]。

研究要点

吸烟与非酒精性脂肪性肝病 (NAFLD)呈正相关，但这种关联的潜在机制尚不清楚。我们在此报告，尼古丁在吸烟期间会在肠道中蓄积，并激活肠道AMPKα。我们确定肠道细菌木聚糖芽孢杆菌是一种有效的尼古丁降解剂。木聚糖芽孢杆菌的定植可降低尼古丁暴露小鼠的肠道尼古丁浓度，并改善尼古丁加重的NAFLD进展。在机制上，AMPKα促进鞘磷脂磷酸二酯酶3 (SMPD3)的磷酸化，稳定后者，从而增加肠道神经酰胺的形成，促进NAFLD进展为非酒精性脂肪性肝炎 (NASH)。我们的结果确立了肠道尼古丁蓄积在NAFLD进展中的作用，并揭示了人类肠道中具有代谢尼古丁能力的内源性细菌。这些发现提示了减少吸烟导致的NAFLD进展的可能途径。

主要结果

肠道细菌可降解回肠尼古丁

吸烟或使用尼古丁贴片期间，可在人的唾液和胃液中检测到高水平的尼古丁，表明尼古丁在消化道中蓄积，并可能在消化道中发挥病理作用。为了确认尼古丁在吸烟过程中是否在肠道内累积，我们收集了30例非吸烟者和30例吸烟者的回肠末端黏膜活检标本、血清和粪便样本。在吸烟者的回肠黏膜组织中检测到高水平的尼古丁，表明尼古丁在吸烟过程中在肠道中积累 (图1a)。在通过三种先前描述的给药方法 (即烟雾暴露，口服和皮下)给予尼古丁的无特异性病原体 (SPF)小鼠中，我们进一步评估了肺、回肠内容物、回肠组织、脑、肝、附睾白色脂肪组织和血清中的尼古丁水平。在上述小鼠模型中一致观察到回肠尼古丁蓄积 (图1b，c)。这些结果表明，吸烟期间尼古丁水平在肠道中累积的程度相对较大，这可能具有病理生理学意义。

图1. 肠道尼古丁蓄积和肠道细菌引起的肠道尼古丁降解的鉴定

p-AMPKα使SMPD3在Ser208/209位点磷酸化

脂质被认为在NAFLD进展中具有重要作用，因为在NAFLD病理中，脂质是肠和肝之间相互作用的关键介质。我们对回肠进行了靶向脂质组学分析，并确定神经酰胺为主要代谢产物，可导致采用尼古丁治疗的Prkaa1敲除 (KO)和对照 (WT)肠道上皮之间出现基于聚类的分化。在尼古丁饮酒模型中，肠道AMPKα1缺失时，回肠神经酰胺分布较低。根据尼古丁饮酒模型回肠上皮的磷酸化蛋白质组分析，SMPD3 (介导鞘磷脂转化为神经酰胺的酶)在Ser208位点处的磷酸化因肠道上皮AMPKα1缺失而显著降低。

在回肠器官类中，尼古丁治疗未改变Smpd3 mRNA水平。然而，用AMPK激酶活性抑制剂治疗或表达激酶结构域突变体均可减轻尼古丁诱导的SMPD3蛋白水平升高，表明尼古丁对SMPD3的影响是翻译后的。事实上，我们发现在尼古丁治疗下，SMPD3与AMPKα1结合。GPS 2.0分析预测Ser208 (小鼠)是AMPK最可能的磷酸化位点。SMPD3中的肽 (包括人类的Ser208和Ser209)满足AMPK磷酸化底物基序，并且在进化上高度保守。据报道，SMPD3的稳定性受5个保守丝氨酸位点的磷酸化调节。与此一致，在尼古丁治疗组中检测到Ser209磷酸化增加。SMPD3 (WT)可被AMPKα1直接磷酸化，当Ser209突变或给予AMPK抑制剂时，这种磷酸化几乎被消除。为了确认Ser209处的磷酸化是否影响SMPD3蛋白的稳定性，用WT、S209A (磷酸化缺失突变体)和S209D (持续磷酸化突变体)SMPD3转染SW480细胞，并用烟碱和环己酰亚胺 (CHX，一种蛋白翻译抑制剂)处理。我们发现，Ser209磷酸化保护SMPD3蛋白免于降解 (图3a)。在来自尼古丁饮酒模型的分离的类器官中，在来自缺乏肠道上皮AMPKα1的小鼠的类器官中观察到了更快的SMPD3降解。

图3. 磷酸化的SMPD3由于减少了泛素化介导的降解而更加稳定

木聚糖芽孢杆菌和临床NAFLD

为了阐明我们的发现与人类NAFLD进展之间的相关性，我们收集了83例经活检证实的NAFLD患者的数据，这些患者分为吸烟者 (n = 41)和非吸烟者 (n = 42)。在吸烟者中，NAFL、临界NASH和确诊NASH在吸烟史 (包括吸烟年数和每天吸烟量)方面没有显著差异。然而，我们发现木聚糖芽孢杆菌水平与NAFLD严重程度呈负相关 (即从NAFL到临界NASH再到确诊NASH)，如NAFLD活性评分 (NAS)所示。结果，粪便尼古丁水平随着NAFLD的进展而逐步升高，粪便中的尼古丁降解产物HPB随着NAFLD的进展而相应降低 (图4c，d)。在吸烟者中，木聚糖芽孢杆菌丰度与粪便尼古丁含量呈负相关，但与HPB水平呈正相关 (图4e，f)。

图4. 木聚糖芽孢杆菌介导的尼古丁降解与临床NAFLD进展呈负相关

结论及展望

在吸烟患者和三种尼古丁尼古丁暴露小鼠模型中，使用基于液相色谱-质谱联用的方法检测出高浓度的肠道尼古丁。因此，尼古丁在肠道中的分布与给药途径无关。小鼠腹腔内补充尼古丁诱导了粪便中的尼古丁蓄积，既往在人类使用尼古丁皮肤贴片的文献也发现了在唾液和胃液中尼古丁的明显蓄积，尽管这种蓄积的机制需要在未来的研究中加以解决。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05299-4

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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