农科院陈亮揭示黄芩苷改善肠道炎症的机制：M1巨噬细胞极化和食淀粉乳杆菌的作用
Adv Sci | 农科院北京畜牧所张宏福/中科院动物所陈亮揭示黄芩苷改善肠道炎症的机制：M1巨噬细胞极化和食淀粉乳杆菌的作用
过敏性气道炎症(AAI)是一种常见的呼吸系统疾病，目前全球约有3.58亿人受到影响，构成了显著的全球健康负担。炎症、免疫反应和代谢过程之间的复杂相互作用在AAI的发病机制中起着至关重要的作用。代谢失调和蛋白质翻译后修饰(PTM)是疾病的公认特征，在多种疾病的发生和进展中发挥着关键作用。然而，肠道微生物代谢物在AAI发展中的作用，以及它们在这种疾病背景下对PTM修饰的影响，尚未被充分探索和研究。除了宿主本身，肠道微生物及其代谢物作为影响宿主免疫和炎症的循环分子的重要来源，促进肠-肺通信。研究表明，肠道微生物群可能通过代谢物影响肺部生理，突显"肠-肺轴"的概念。先前的研究强调了免疫反应和代谢调节之间的功能关系，表明新兴的宿主代谢组学可以增强我们对气道疾病发病机制和诊断的理解。然而，肠道菌群来源的代谢物在过敏性气道炎症发展中的作用仍需进一步探索。
琥珀酸是由肠道菌群产生的多功能信号代谢物，通过结合琥珀酸受体1(SUCNR1)或影响特定蛋白质的琥珀酰化，特别是在炎症信号传导中发挥作用。最近的研究表明，来自肠道菌群的琥珀酸可以加重肠缺血/再灌注诱导的急性肺损伤，主要是通过SUCNR1调节肺泡巨噬细胞极化。此外，琥珀酸可以增强蛋白质如p23的琥珀酰化，从而提升其转录活性。琥珀酰化修饰是一种新型的蛋白质翻译后修饰(PTM)，也是一种保守的修饰类型，它可以改变蛋白质的结构和电学特性，对蛋白质的结构和功能有更显著的影响。这种修饰可以通过涉及琥珀酰辅酶A或琥珀酸的非酶促途径发生，也可以通过影响琥珀酰转移效率的酶促途径发生。
近期，吉林大学王放等在 Redox Biology 期刊上发表了题为Gut flora-derived succinate exacerbates Allergic Airway Inflammation by promoting protein succinylation 的研究论文，该研究揭示了肠道菌群来源的琥珀酸可通过促进肺部蛋白质琥珀酰化加剧小鼠过敏性气道炎症，而FMT可以逆转这一现象。这些发现为理解AAI机制和潜在治疗靶点提供了新的视角。
文章要点
1）在AAI患者中，琥珀酸被鉴定为关键代谢物，与某些免疫参数和IgE水平呈正相关，并具有良好的诊断价值。在AAI小鼠中，肠道细菌是高琥珀酸水平的主要来源。孟德尔随机化研究表明琥珀酸是哮喘的危险因素。外源性琥珀酸加重了小鼠的AAI，增加了气道阻力和炎症因子水平。AAI小鼠肺部的蛋白质琥珀酰化与正常小鼠显著不同，上调的蛋白主要集中在代谢途径中。粪便微生物移植(FMT)通过降低琥珀酸和蛋白质琥珀酰化水平缓解了AAI症状。体外实验表明，琥珀酸促进了BEAS-2B细胞中的蛋白质琥珀酰化，SOD2被鉴定为关键的琥珀酰化蛋白，其K68位点对其修饰和酶活性调节至关重要。2）研究团队首先分析了AAI患者的血清代谢物谱，发现琥珀酸是一个核心代谢物，与白细胞计数、单核细胞计数和IgE水平显著正相关。为探究AAI中高水平琥珀酸的来源，研究者构建了OVA诱导的AAI小鼠模型并使用抗生素处理。结果表明，抗生素处理显著降低了AAI小鼠粪便中的琥珀酸水平，并将血清和肺组织中的琥珀酸水平恢复到正常，表明AAI中循环和肺部琥珀酸主要来源于肠道菌群。通过16S rRNA测序，研究者发现AAI小鼠肠道菌群组成发生变化，与琥珀酸代谢相关的菌群如产丁酸菌(丁酸菌属、梭菌属和Oscillospira属)以及链球菌属的丰度发生显著变化。琥珀酸消耗菌如拟杆菌属、瘤胃球菌属_梭菌属的丰度在AAI组显著降低，同时肠道菌群消耗琥珀酸的酶水平也较低，导致琥珀酸积累。
图1 AAI小鼠肠道菌群的表征3）
研究还发现，AAI小鼠的肠道和肺部屏障受损，表现为Occludin、Claudin1和ZO1基因和蛋白表达水平显著降低，这可能促进了琥珀酸从肠道向肺部的转运和积累，从而影响AAI的进展。为进一步验证琥珀酸对AAI的影响，研究者进行了两样本孟德尔随机化分析，结果显示琥珀酸水平是哮喘的显著风险因素。在动物实验中，外源性琥珀酸加重了AAI小鼠的气道阻力并降低了动态肺顺应性，同时增加了IL-1β、IL-4、IL-5、IL-6、IL-13和IL-33在肺组织和血清中的水平，加剧了肺部炎症和粘液分泌。4）研究发现，AAI小鼠肺部蛋白质琥珀酰化水平显著高于正常小鼠，外源性琥珀酸进一步增强了这种修饰。通过琥珀酰化修饰组学分析，研究者发现AAI肺部琥珀酰化修饰的蛋白质与正常小鼠有显著差异，以上调蛋白为主(406个，约94.4%)，上调修饰位点也占大多数(785个，约96.8%)。这些蛋白主要集中在代谢途径中，定位于线粒体和细胞质。5）FMT降低了AAI小鼠肺组织和血清中的琥珀酸水平，改善了气道高反应性和肺顺应性，显著降低了炎症因子水平，缓解了肺部炎症和粘液分泌，同时降低了肺部蛋白质琥珀酰化水平。在体外实验中，研究者发现琥珀酸能够促进BEAS-2B细胞中的蛋白质琥珀酰化，且修饰水平与琥珀酸浓度呈正相关。通过蛋白质相互作用分析，SOD2被鉴定为AAI中琥珀酰化修饰的关键蛋白。研究发现琥珀酸可显著降低SOD2的酶活性而不影响其蛋白表达水平。通过MS/MS分析和定点突变实验，研究者确定K68位点是SOD2琥珀酰化的关键修饰位点，K68位点突变能够显著降低SOD2的琥珀酰化水平，并逆转琥珀酸对SOD2酶活性的抑制作用。值得注意的是，SOD2的K68位点在不同物种间高度保守，突显了该位点的重要性。
图2 AAI小鼠肠道和肺组织中紧密连接蛋白的信使核糖核酸（mRNA）水平、蛋白质表达水平以及蛋白质免疫印迹（Western blotting）分析
小结
总之，该研究阐明了肠-肺轴在AAI中的重要性，强调了肠道菌群代谢物在远端器官疾病中的作用，为基于微生物群的治疗方法提供了理论基础，也为理解和治疗AAI等过敏性疾病开辟了新途径。
参考文献
Chao Wang et al., Gut flora-derived succinate exacerbates Allergic Airway Inflammation by promoting protein succinylation. Redox Biology
https://doi.org/10.1016/j.redox.2025.103623
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