新型菌源膽汁酸通過激活孤兒受體調(diào)控葡萄糖代謝的研究

2型糖尿病已成為日益嚴重的健康問題，常常伴隨著肥胖、脂肪肝和心血管疾病。近年來，越來越多的證據(jù)表明，腸道菌群及其代謝物（尤其是膽汁酸）對宿主血糖穩(wěn)態(tài)有顯著影響，并作為關(guān)鍵信號分子調(diào)控葡萄糖和能量代謝。不過，治療期間出現(xiàn)的不良事件（尤其是瘙癢）阻礙了膽汁酸相關(guān)藥物的臨床應(yīng)用。

近年來新發(fā)現(xiàn)的膽汁酸猶如一個尚未開發(fā)的寶庫，有望克服傳統(tǒng)膽汁酸的缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物可以將膽汁酸與其他多種氨基酸結(jié)合，產(chǎn)生菌源氨基酸結(jié)合膽汁酸（MABAs）。盡管這種修飾豐富了宿主膽汁酸庫，但目前尚不清楚此類膽汁酸是否具有重要的生理或病理生理功能。

北京大學(xué)和山東大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊近日揭示了新型MABA（色氨酸膽酸，Trp-CA）的生理及病理生理功能，深入解析了Trp-CA通過激活孤兒受體MRGPRE促進腸道GLP-1分泌的新機制。這項研究成果于5月29日發(fā)表在《Cell》雜志上，有望為2型糖尿病的治療提供新靶點。

研究材料與方法
這項研究納入80名受試者（包括40例糖尿病患者和40名健康對照），采用非靶向代謝組學(xué)方法分析糞便MABAs。研究人員構(gòu)建了高脂飲食誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型，并構(gòu)建Mrgpre基因敲除（Mrgpre^-/-）和腸道特異性敲除（Mrgpre^ΔIE）小鼠，以驗證MRGPRE的作用。他們運用PRESTO-Tango系統(tǒng)篩選與Trp-CA作用的GPCR，并結(jié)合FlAsH-BRET分析和分子動力學(xué)模擬，解析Trp-CA與MRGPRE的結(jié)合模式。之后通過熒光素酶報告基因?qū)嶒�、cAMP分析和磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)，探究下游信號通路。

技術(shù)路線

在分析糖尿病患者及對照的MABAs差異后聚焦Trp-CA，
發(fā)現(xiàn)它能緩解高脂飲食誘導(dǎo)的糖耐量異常
↓
通過多種分析發(fā)現(xiàn)MRGPRE是Trp-CA的受體，
在體內(nèi)介導(dǎo)Trp-CA對葡萄糖代謝的有益作用
↓
深入分析機制后發(fā)現(xiàn)MRGPRE-Gs-cAMP和MRGPRE-β-arrestin-1-ALDOA
信號通路均參與了Trp-CA的代謝益處
↓
在篩選腸道細菌后發(fā)現(xiàn)動物雙歧桿菌乳亞種的BSH/T酶負責(zé)產(chǎn)生Trp-CA

研究結(jié)果
Trp-CA緩解高脂飲食誘導(dǎo)的糖耐量異常
在比較糖尿病患者和健康對照的糞便樣本中的MABAs含量后，研究人員發(fā)現(xiàn)Trp-CA差異最為顯著，糖尿病患者的Trp-CA水平顯著低于健康對照。此外，糞便Trp-CA水平與臨床血糖指標呈負相關(guān)，包括空腹血糖（FBG）和糖化血紅蛋白百分比（%HbA1c）（圖1）。

之后，他們探索了Trp-CA是否能緩解糖尿病小鼠的糖耐量異常（圖1）。Trp-CA灌胃小鼠在高脂飲食喂養(yǎng)后的體重增加顯著低于對照組，同時伴隨著脂肪質(zhì)量和食物攝入量的下降。同時，Trp-CA灌胃顯著改善高脂飲食誘導(dǎo)小鼠的糖耐量異常，且這種改善早于體重變化，提示其具有獨立于肥胖的作用（圖1）。

Trp-CA緩解了高脂飲食誘導(dǎo)的糖耐量異常

Trp-CA是孤兒GPCR受體MRGPRE的配體
為明確Trp-CA的作用部位及其急性血糖調(diào)節(jié)作用，研究人員對接受十二指腸、結(jié)腸及靜脈給藥Trp-CA的小鼠進行了高葡萄糖鉗夾試驗。他們觀察到，腸道灌注Trp-CA顯著促進了胰島素分泌，并伴隨著葡萄糖輸注速率（GIR）的增加，提示Trp-CA的血糖調(diào)節(jié)主要作用于腸道。

考慮到G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是多種小分子的重要傳感器，研究人員假設(shè)Trp-CA可能通過GPCR改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)。在系統(tǒng)性篩選腸道組織中高表達的GPCR后，他們發(fā)現(xiàn)Trp-CA僅能顯著激活MRGPRE（Mas相關(guān)GPCR家族成員E）。MRGPRE屬于癢覺受體家族，但目前尚未有研究表明其能激活瘙癢。到目前為止，它的生理功能尚不明確。

接下來，研究人員采用CRISPR-Cas9技術(shù)生成了Mrgpre^-/-小鼠，并通過口服灌胃方式給予Trp-CA。這種處理顯著改善了高脂飲食喂養(yǎng)的Mrgpre^+/+小鼠的葡萄糖耐量，但在Mrgpre^-/-小鼠身上未顯示出有益效果。在腸道組織特異性Mrgpre敲除小鼠模型中，Trp-CA對葡萄糖代謝的有益作用同樣被抑制。這些數(shù)據(jù)表明，MRGPRE是Trp-CA的受體，并在體內(nèi)介導(dǎo)Trp-CA對葡萄糖代謝的有益作用。

Trp-CA通過激活MRGPRE促進CLP-1分泌
通過對接受或未接受Trp-CA處理的小鼠結(jié)腸組織進行多肽組學(xué)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)Gcg等基因在Trp-CA處理小鼠中的表達水平高于對照組小鼠。Gcg基因編碼胰高血糖素原，最終在腸道中被裂解為胰高血糖素樣肽，包括GLP-1和GLP-2。接受Trp-CA處理的小鼠在口服葡萄糖后血清胰島素和GLP-1水平顯著高于對照組。在抑制GLP-1受體后，Trp-CA仍然能刺激CLP-1分泌，但胰島素分泌及其降血糖作用被消除。

腸道GLP-1由腸道內(nèi)分泌L細胞產(chǎn)生和分泌。研究人員發(fā)現(xiàn)，Mrgpre在腸道GCG+細胞中的表達水平顯著高于癢覺受體家族的其他受體。之后，他們通過體外和體內(nèi)實驗確認Mrgpre在L細胞中表達。先前研究發(fā)現(xiàn)，許多GPCR在激活后會被內(nèi)化。他們證實，當L細胞經(jīng)過Trp-CA處理后，MRPGRE被內(nèi)化到表達EEA1的內(nèi)體中。這些結(jié)果表明Trp-CA是MRGPRE的配體，而MRGPRE在腸道上皮的L細胞中表達。

那么，MRGPRE激活后通過何種機制促進GLP-1分泌呢？他們進一步分析后發(fā)現(xiàn)，Trp-CA能夠激活MRGPRE-Gs信號通路，并以劑量依賴性方式誘導(dǎo)環(huán)磷酸腺苷（cAMP）水平升高，而Gs-cAMP信號傳導(dǎo)是L細胞中GLP-1分泌的經(jīng)典通路。與預(yù)期一致，無論是Gs抑制還是Gs蛋白敲降（其中構(gòu)建Gnas^iKO小鼠所用的Gnas^fl/fl小鼠由賽業(yè)生物提供），均部分抑制了Trp-CA誘導(dǎo)的GLP-1分泌。這些結(jié)果表明，Trp-CA通過MRGPRE-Gs-cAMP通路誘導(dǎo)GLP-1分泌，但可能還有其他信號通路參與。之后，他們通過冷凍電鏡驗證了MRGPRE與Trp-CA的相互作用，發(fā)現(xiàn)MRGPRE關(guān)鍵殘基的突變影響了Trp-CA誘導(dǎo)的GLP-1分泌。

在后續(xù)的分析中，研究人員還發(fā)現(xiàn)MRGPRE在Trp-CA刺激后以劑量依賴性方式招募β-arrestin-1/2。Arrb1基因（編碼β-arrestin-1）的敲降部分抑制Trp-CA誘導(dǎo)的GLP-1分泌，而Arrb2基因的敲降則無此效應(yīng)。由此可見，Gs-cAMP和β-arrestin-1信號傳導(dǎo)均參與了Trp-CA對GLP-1和胰島素分泌的影響。

作為信號傳導(dǎo)的樞紐，β-arrestin可促進下游蛋白的磷酸化。通過磷酸化蛋白質(zhì)組定量分析，他們發(fā)現(xiàn)Trp-CA處理可顯著促進糖酵解通路相關(guān)蛋白ALDOA的磷酸化（圖2），而糖酵解增加細胞內(nèi)ATP濃度并誘導(dǎo)GLP-1分泌。后續(xù)研究證實，Trp-CA通過MRGPRE受體增加細胞的糖酵解代謝和ATP水平。ALDOA的S39位點磷酸化調(diào)節(jié)了GLUTag細胞中的醛縮酶活性，Aldoa敲降導(dǎo)致糖酵解代謝和GLP-1水平降低。此外，醛縮酶活性依賴β-arrestin-1的招募。這些結(jié)果表明，Trp-CA通過MRGPRE-β-arrestin-1-ALDOA通路誘導(dǎo)GLP-1分泌。

 
Trp-CA通過誘導(dǎo)ALDOA磷酸化促進細胞糖酵解

動物雙歧桿菌乳亞種的BSH/T負責(zé)產(chǎn)生Trp-CA
最后，研究人員鑒定了哪些細菌能夠產(chǎn)生Trp-CA。在篩選了主要的腸道細菌后，他們發(fā)現(xiàn)4種雙歧桿菌顯示出強烈的Trp-CA生產(chǎn)活性，其中動物雙歧桿菌乳亞種（B. animalis subsp. lactis）的產(chǎn)量最高。這種細菌的BSH/T酶（BAL BSH/T）能夠催化Trp-CA的產(chǎn)生。表達BAL BSH/T的大腸桿菌以及動物雙歧桿菌乳亞種定植都能改善小鼠的糖耐量異常。

結(jié)論

圖文摘要

總的來說，這項研究鑒定出Trp-CA的獨特受體及其下游信號通路（圖3）。研究還表明，MRGPRE有望成為新的治療靶點，以治療2型糖尿病中的葡萄糖代謝失調(diào)。同時，這些結(jié)果為進一步研究其他MABAs提供了動力，未來可以深入解析它們的生理學(xué)作用、與之結(jié)合的受體及其臨床相關(guān)性。

原文檢索
Lin et al., A microbial amino-acid-conjugated bile acid, tryptophan-cholic acid, improves glucose homeostasis via the orphan receptor MRGPRE, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.010