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文章背景简介

BACKGROUND INTRODUCTION

大量研究表明，肠道中产生丁酸盐的共生菌数量减少与多种疾病的发生发展存在关联。丁酸盐作为一种短链脂肪酸（SCFA），在维持肠道微环境稳态中发挥着关键作用，可以增强上皮屏障功能、调控宿主代谢、免疫反应和神经元发育。丁酸盐的作用机制涉及激活G蛋白偶联受体（GPCR）以及抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性等。然而，尽管以往研究揭示了丁酸盐与多种疾病状态的相关性，但由于缺乏有效工具来精确控制肠道丁酸盐水平，其对宿主粘膜免疫的分子机制及疾病发病机理的具体影响迄今尚未得到充分解析。

现有研究手段，如通过补充膳食纤维来提升肠道丁酸盐产量，或直接口服丁酸盐，以及使用天然产丁酸的共生菌（如丁酸梭菌）等方法，都存在局限性。例如，膳食纤维对丁酸盐产量的影响受到个体差异、微生物群落竞争及网络效应的复杂影响，导致丁酸盐产生难以预测且宿主反应各异；口服或灌肠给药方式往往导致丁酸盐在消化道中吸收不完全，限制了其在结肠部位的有效生物利用。此外，严格厌氧的丁酸生产菌在炎症状态下易受活性氧（ROS）抑制，且由于难以精确控制实验条件，难以明确微生物代谢物丁酸盐在宿主生理病理中的具体作用。面对这些挑战，研究者们致力于开发更先进的策略以实现肠道丁酸盐的精确递送与调控。

细胞焦亡（Pyroptosis）又称细胞炎性坏死，是一种程序性细胞死亡，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。细胞焦亡是机体一种重要的天然免疫反应，在感染性疾病、神经系统相关疾病、动脉粥样硬化等疾病中发挥重要作用，其特征为依赖于炎性半胱天冬酶（主要是caspase-1，4，5，11），并伴有大量促炎症因子的释放，其形态学特征、发生及调控机制等均不同于凋亡、坏死等其他细胞死亡方式。

焦亡在体内是一个极其复杂的过程，有许多调节机制控制着必需成分。其中，Gasdermins（GSDM）是一种由细胞质感知侵袭性感染和危险信号而引发的炎症性细胞死亡的关键介质。一旦被激活，GSDM会形成细胞膜孔，释放促炎细胞因子和警报，破坏细胞膜的完整性，引发炎症细胞死亡。人类一共有6个GSDM基因，GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDMD、GSDME和DFNB59。其中，GSDMD是一种焦亡关键效应因子，其调控机制主要集中在影响其早期裂解的上游因素，包括发挥促炎或抗炎作用的多效焦亡相关复合物，参与诸多炎症小体相关疾病和组织损伤的发病机制。

北京航空航天大学医学科学与工程学院的Xu Gong等人，于2023年9月在《Metabolic Engineering》(I F=8.4，生物学Ⅰ区)发表了题目为“Metabolic engineering of commensal bacteria for gut butyrate delivery and dissection of host-microbe interaction”的文章。在这项研究中，科研团队设计了一种兼性厌氧共生菌，使其能够直接在肠粘膜表面递送丁酸盐，从而克服现有方法的局限性（尤其是针对炎症肠道环境中ROS的影响）。他们选择大肠杆菌Nissle 1917（EcN，被视为可用作益生菌）作为基础菌株进行基因工程改造，使其具备异源丁酸盐合成能力，该工程菌能够在炎症结肠中定植并持续分泌丁酸盐，从而在小鼠慢性结肠炎模型中显著减轻炎症症状，维护肠黏膜稳态。该研究揭示：肠道菌产生的丁酸盐，可以通过作为组蛋白去乙酰化酶HDAC3抑制剂，抑制结肠上皮细胞中关键的焦亡执行蛋白GSDMD，从而保护肠道免受炎症损害，

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所用到的主要方法

METHODS

1.共轭过程

2.发酵条件

3.发酵产物的测定

4.动物实验

5.小鼠结肠外植体

6.粪便中丁酸盐浓度的测定

7.16S rRNA 基因扩增子测序

8.RNA测序

9.细胞因子量化

10.免疫印迹和免疫荧光

11.细胞培养和处理

12.统计数据

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文章主要内容摘要

ABSTRACT

大量研究报告指出，丁酸产生的共生菌群丰度减少与多种疾病存在相关性。然而，由于缺乏有效工具来控制肠道丁酸，对肠道丁酸如何对宿主黏膜免疫和发病过程起因果作用的分子水平机制知之甚少。研究人员工程化了一种允许厌氧的共生菌，将丁酸传递到肠黏膜表面，并将其应用于分析肠道丁酸在小鼠慢性结肠炎模型中调节宿主肠道稳态的因果作用。该研究在机制上展示了肠道丁酸可以作为组蛋白去乙酰化酶HDAC3抑制剂，对结肠上皮细胞焦亡关节效应因子Gasdermin D（GSDMD）产生抑制作用，从而预防结肠炎并保持肠黏膜稳态。总体而言，该研究为构建合成活体传递细菌提供了一种新途径，从而可以在分子水平来洞察解码宿主-微生物界面的因果关系。

简言之，本文的主要研究内容有：

1.将丁酸生物合成途径引入需氧性共生细菌载体；

2.优化丁酸合成途径提高丁酸产量；

3.工程EcN M3P2TA在结肠炎小鼠中定植并增加肠道丁酸盐；

4.EcN M3P2TA递送的肠道丁酸盐可改善dss诱导的小鼠慢性结肠炎；

5.GSDMD是肠道丁酸盐功效的关键候选基因；

6.肠道丁酸盐主要通过抑制GSDMD来减轻小鼠慢性结肠炎；

7.丁酸盐作为HDAC3i抑制GSDMD的表达。

原文标题:应用工程化益生菌，证实丁酸可通过调节组蛋白乙酰化，抑制肠道细胞焦亡