斑馬魚腸道中的蛋白質吸收受到富含溶酶體的腸細胞與微生物組之間相互作用的調節

核心概念

腸道微生物組通過調節富含溶酶體的腸細胞（LREs）中蛋白質的吸收和降解速率，在斑馬魚幼蟲的營養吸收中發揮著重要作用。

摘要

論文概述

本研究論文重點探討斑馬魚幼蟲腸道微生物組與一種特殊腸細胞類型——富含溶酶體的腸細胞（LREs）之間的交互作用，以及這種交互作用對宿主營養吸收的影響。

研究方法

• 利用無菌和常規化斑馬魚幼蟲，通過灌胃螢光標記蛋白質，觀察比較LREs的蛋白質吸收和降解速率。
• 採用單細胞RNA測序技術，分析比較無菌和常規化斑馬魚幼蟲腸道細胞的基因表達譜，特別是LREs。
• 通過單一菌株定植實驗，研究特定細菌對LREs蛋白質吸收和基因表達的影響。
• 利用cubn基因突變斑馬魚幼蟲模型，結合高蛋白和低蛋白飲食，探討LREs功能與腸道微生物組組成的關係。

主要發現

• 腸道微生物組會降低LREs的蛋白質吸收和降解速率。
• 單一菌株定植實驗表明，霍亂弧菌會顯著降低LREs的蛋白質吸收活性，並下調LREs中與蛋白質吸收和降解相關基因的表達。
• LREs的功能缺陷和低蛋白飲食會共同影響腸道微生物組的組成，導致微生物多樣性降低，並可能促進某些能夠抑制LREs蛋白質吸收活性的細菌增殖。

研究結論

• 腸道微生物組通過調節LREs的蛋白質吸收和降解速率，在斑馬魚幼蟲的營養吸收中發揮著重要作用。
• LREs的功能和飲食蛋白質含量會反過來影響腸道微生物組的組成，形成一種動態的交互作用網絡。

研究意義

本研究揭示了腸道微生物組與LREs之間的複雜交互作用關係，為深入理解宿主營養吸收的調控機制提供了新的視角，並為開發針對蛋白質營養不良相關疾病的治療策略提供了潛在靶點。

統計資料

在無菌斑馬魚幼蟲中，mCherry螢光在灌胃後40分鐘達到峰值，而在常規化斑馬魚幼蟲中，峰值出現在灌胃後60分鐘。
與無菌斑馬魚幼蟲相比，常規化斑馬魚幼蟲在灌胃1小時後吸收的mCherry顯著減少。
在含有3 × 10^6 CFU/mL微生物的常規化斑馬魚幼蟲中，mCherry的吸收顯著降低，而在含有3 × 10^5 CFU/mL微生物的幼蟲中，mCherry的吸收沒有減少。
與常規化斑馬魚幼蟲相比，無菌斑馬魚幼蟲的LREs降解蛋白質的速度顯著更快。
單細胞RNA測序分析顯示，除了LREs外，其他幾種類型的腸道細胞也能夠吸收蛋白質，包括迴腸細胞、杯狀細胞、腺泡細胞、腸內分泌細胞、免疫細胞和best4/otop2細胞。
與無菌斑馬魚幼蟲相比，常規化斑馬魚幼蟲中mCherry陽性分泌細胞的比例更高。
在無菌和常規化斑馬魚幼蟲中，超過90%的LREs是mCherry陽性的。
與定植了醋酸鈣化菌的斑馬魚幼蟲相比，定植了霍亂弧菌的斑馬魚幼蟲的dab2表達水平顯著降低。
與定植了醋酸鈣化菌的斑馬魚幼蟲相比，定植了霍亂弧菌的斑馬魚幼蟲的cubn表達水平顯著降低。
16S rRNA基因測序分析顯示，飲食對雜合子斑馬魚幼蟲的微生物組組成有顯著影響（Bray Curtis距離，p = 0.001），但對cubn純合子突變體斑馬魚幼蟲的影響不顯著（Bray Curtis距離，p=0.18）。
與接受高蛋白飲食的cubn突變體斑馬魚幼蟲相比，接受低蛋白飲食的cubn突變體斑馬魚幼蟲的微生物豐富度顯著降低（雙尾t檢驗，p= 0.0094，n = 6 - 9）。
與雜合子斑馬魚幼蟲相比，cubn突變體斑馬魚幼蟲的氣單胞菌屬細菌丰度顯著更高（DESeq2，padj = 0.01）。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Protein absorption in the zebrafish gut is regulated by interactions between lysosome rich enterocytes and the microbiome

by Childers,L.,... 於 www.biorxiv.org 06-08-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.07.597998v2

深入探究

LREs中蛋白質吸收和降解速率的降低如何影響斑馬魚幼蟲的整體生理機能和健康狀況？

LREs（富含溶酶體的腸細胞）是斑馬魚幼蟲吸收蛋白質的主要場所。當腸道微生物組降低LREs中蛋白質的吸收和降解速率時，會對幼蟲的整體生理機能和健康狀況造成多方面的負面影響：

營養不良： 蛋白質是構成生物體的重要物質，參與了幾乎所有生理過程。當蛋白質吸收受阻時，幼蟲無法獲得足夠的氨基酸來滿足生長發育的需求，從而導致生長遲緩、體型縮小等營養不良的症狀。
免疫力下降： 蛋白質是構成免疫細胞和抗體的重要成分。當蛋白質吸收不足時，幼蟲的免疫系統會受到抑制，更容易受到病原微生物的感染。
腸道功能紊亂： LREs的功能受損會影響腸道上皮細胞的正常代謝和功能，導致腸道屏障功能受損，腸道菌群失衡，進一步加劇營養吸收障礙和免疫力下降。
代謝紊亂： 蛋白質參與了多種代謝途徑，例如能量代謝、激素合成等。當蛋白質吸收不足時，會導致代謝紊亂，影響幼蟲的整體生理機能。
研究發現， cubn 基因突變的斑馬魚幼蟲在餵食低蛋白飲食時，存活率顯著降低。這表明LREs的功能對維持幼蟲在蛋白質營養缺乏條件下的生存至關重要。
總之，LREs中蛋白質吸收和降解速率的降低會嚴重影響斑馬魚幼蟲的營養吸收、免疫力、腸道功能和代謝，最終影響其生長發育和生存。

除了調節LREs的功能外，腸道微生物組還可能通過哪些其他機制影響宿主對蛋白質的吸收和利用？

除了調節LREs的功能外，腸道微生物組還可以通過以下機制影響宿主對蛋白質的吸收和利用：

產生蛋白酶： 一些腸道微生物可以產生蛋白酶，將食物中的蛋白質分解成更容易被宿主吸收的小肽和氨基酸。
調節宿主蛋白酶的活性： 腸道微生物組可以通過產生代謝產物或調節宿主基因表達來影響宿主蛋白酶的活性，進而影響蛋白質的消化吸收。
影響腸道上皮細胞的發育和功能： 腸道微生物組可以通過調節腸道上皮細胞的增殖、分化和凋亡來影響腸道結構和功能，進而影響蛋白質的吸收。
調節宿主免疫系統： 腸道微生物組可以調節宿主免疫系統的發育和功能，影響腸道免疫耐受和炎症反應，進而影響蛋白質的吸收和利用。
產生短鏈脂肪酸： 腸道微生物可以發酵食物中的碳水化合物產生短鏈脂肪酸，例如乙酸、丙酸和丁酸。這些短鏈脂肪酸可以被宿主吸收利用，作為能量來源，並調節腸道上皮細胞的功能，促進蛋白質的吸收。

如果將本研究的發現應用於人類，能否開發出基於調節腸道微生物組來改善蛋白質營養不良的新型治療方法？

本研究發現腸道微生物組可以調節斑馬魚幼蟲LREs的蛋白質吸收功能，這為改善人類蛋白質營養不良提供了新的思路。基於此，可以開發以下新型治療方法：

篩選和補充有益菌： 可以通過篩選可以促進LREs功能或產生蛋白酶的益生菌，開發新型益生菌製劑，用於改善蛋白質營養不良。
調整飲食結構： 可以通過調整飲食結構，例如增加膳食纖維的攝入，促進腸道中有益菌的生長，改善腸道微生物組的組成，進而改善蛋白質的吸收和利用。
糞菌移植： 對於腸道微生物組嚴重失衡的患者，可以考慮進行糞菌移植，將健康人群的糞便微生物組移植到患者體內，重建健康的腸道微生物組，改善蛋白質營養不良。
然而，斑馬魚和人類的生理結構和腸道微生物組存在差異，將這些研究成果應用於人類還需要進一步的研究和臨床試驗。
總之，調節腸道微生物組是改善蛋白質營養不良的一個潛在策略，但需要更多的研究來驗證其有效性和安全性。