Genome Biol|Ramnik J Xavier团队揭示肠道细菌代谢物调节内质网应激机制

2022年8月5日 0条评论 502次阅读 0人点赞

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内质网（ER）是一种膜状细胞器，可维持蛋白质稳态和细胞稳态，控制健康与疾病之间的良好平衡。ER应激（ERS）的失调与炎症性肠病（IBD）相关的肠道炎症有关，IBD是一种以粘膜变化和肠道微生物群改变为特征的慢性疾病，细菌代谢物对ERS信号影响的潜在机制尚未完全确定。2021年10月15日，美国麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所Ramnik J Xavier团队在Genome Biology上发表了题为“Gut bacterial metabolites modulateendoplasmic reticulum stress”的研究论文。在本研究中，团队确定了肠道微生物衍生代谢物类别与ERS之间的新联系，表明这些代谢物可能有助于肠道ER稳态，并深入揭示了肠道微生物影响肠上皮细胞稳态的分子机制。

ERS会导致各种疾病，包括炎症、癌症、神经变性、纤维化、糖尿病和代谢紊乱等。临床前模型表明，根据特定的疾病背景，操纵特定的ERS介质可能对各种疾病的严重程度产生有益或有害的影响。作为分泌途径的基本细胞器，ER在蛋白质折叠和成熟以及其他代谢过程（包括脂质生物合成、糖异生和线粒体）中发挥重要作用。错误折叠蛋白的积累和ERS可能源于过度分泌需求、钙平衡丧失、脂质毒性和疾病相关突变蛋白的表达。为响应ERS，未折叠蛋白（UPR）与BiP结合，并释放IRE1α以自二聚化和自磷酸化，导致激活RNase结构域的构象变化。与IRE1类似，PERK在与BiP脱离后也被自磷酸化激活。eIF2α的磷酸化还通过ATF4影响基因子集的转录，促进特定ER驻留蛋白的产生，这对恢复ER稳态很重要。ATF6通路激活也会增加XBP1转录，使XBP1s成为UPR反应的关键节点。

肠道上皮的分泌能力，尤其是粘蛋白和抗菌蛋白的产生，可能需要维持ER蛋白稳态。新出现的证据表明ERS对肠道炎症具有重要影响，但对IBD患者ERS的潜在机制知之甚少。IBD患者的肠道微生物群和代谢组都发生了改变。微生物、微生物产物及其相互作用可能会影响肠道内的ERS。微生物来源的衣霉素（Tm）是最常用的ERS实验诱导剂，其可阻断N-糖基化并导致ER中许多蛋白质的错误折叠；链霉菌聚酮化合物和放线菌代谢物是ERS诱导XBP1激活的有效抑制剂。

在此项研究中，团队旨在发现可能影响ERS或UPR的肠道微生物组相关代谢物。团队通过XBP1s-GFP敲入结直肠上皮细胞系，筛选了参与ERS通路调节的399种微生物组相关代谢物。结果发现了ERS反应诱导物（酰化二肽醛和双吲哚甲烷衍生物）和抑制物（soraphen A），并表征了它们对ERS相关基因转录和翻译的影响；同时，进一步证明了这些分子通过蛋白酶抑制或脂质代谢干扰来调节ERS途径，表征了它们对UPR相关基因转录和翻译活性的影响。

《Genome Biol|Ramnik J Xavier团队揭示肠道细菌代谢物调节内质网应激机制》

图 XBP1s-GFP筛选鉴定具有ER胁迫调节活性的微生物组分子。a. XBP1敲入报告基因构建体在稳态条件下编码261氨基酸（a.a.）XBP1u蛋白，ERS诱导XBP1 mRNA内26个核苷酸片段（红色区域）剪接，产生376a.a. XBP1s蛋白和自切割GFP；b. DMSO或衣霉素（Tm）处理细胞后XBP1s-GFP通过高内涵成像进行可视化与统计分析；c. 对“微生物组盒”进行筛选，确定存在Tm时，ERS激活或抑制UPR反应。d. 筛选确定八种诱导荧光的化合物和三种抑制XBP1s-GFP荧光的化合物，HSPA5和DDIT3 mRNA表达验证三种分子（A5、A7和B3）活性；e、f. 细胞中XBP1s-GFP的荧光强度。

期刊及DOI号

Genome Biol. 2021 Oct 15.

doi: 10.1186/s13059-021-02496-8.

题目

Gut bacterial metabolites modulate endoplasmic reticulum stress

摘要

背景：The endoplasmic reticulum (ER) is a membranous organelle that maintains proteostasis and cellular homeostasis, controlling the fine balance between health and disease. Dysregulation of the ER stress response has been implicated in intestinal inflammation associated with inflammatory bowel disease (IBD), a chronic condition characterized by changes to the mucosa and alteration of the gut microbiota. While the microbiota and microbially derived metabolites have also been implicated in ER stress, examples of this connection remain limited to a few observations from pathogenic bacteria. Furthermore, the mechanisms underlying the effects of bacterial metabolites on ER stress signaling have not been well established.

结果：Utilizing an XBP1s-GFP knock-in reporter colorectal epithelial cell line, we screened 399 microbiome-related metabolites for ER stress pathway modulation. We find both ER stress response inducers (acylated dipeptide aldehydes and bisindole methane derivatives) and suppressors (soraphen A) and characterize their activities on ER stress gene transcription and translation. We further demonstrate that these molecules modulate the ER stress pathway through protease inhibition or lipid metabolism interference.

结论：Our study identified novel links between classes of gut microbe-derived metabolites and the ER stress response, suggesting the potential for these metabolites to contribute to gut ER homeostasis and providing insight into the molecular mechanisms by which gut microbes impact intestinal epithelial cell homeostasis.

关键词：ER stress; Intestinal epithelial homeostasis; Microbial metabolites; Unfolded protein response.