Nature|北京大學李毓龍課題組和DavidJulius等合作揭示腸道5-羥色胺應激響應機制

腸道作為消化器官，除了可以消化食物，也存在複雜的感覺系統，以監測和應對各種刺激，而腸道系統的紊亂也會導致相關病症，如腸易激綜合徵（irritable bowel syndrome, IBS）。腸道中存在著一類特化的感覺細胞，腸內分泌細胞，這些細胞在感受到刺激物後釋放激素或者神經遞質，進而透過一系列的訊號傳遞，產生不同的生理影響。其中備受關注的腸內分泌細胞是腸嗜鉻細胞（enterochromaffin cell，EC），這類細胞能夠大量合成和分泌5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT，也稱為血清素，serotonin）。

在哺乳動物個體中，約95%的5-HT存在於EC細胞中。腸道中表達多種5-HT受體亞型，主要包括低親和力的離子通道型5-HT₃受體和高親和力的代謝型5-HT₄受體，前者透過啟用感覺神經元進而引起噁心、疼痛等，後者則能增強腸道的離子分泌從而維持腸道的液體均衡。那麼腸道是如何響應不同刺激而實現對不同5-HT訊號通路的調控呢？在這個過程中，5-HT訊號的時空變化有何特徵？這種調控是否和腸道獨特的隱窩（crypts）和絨毛（villi）結構有關？此前由於難以對腸道5-HT時空動態進行監測，因而上述問題懸而未決。

2025年2月12日，《Nature》雜誌線上發表了題為“Topological segregation of stress sensors along the gut crypt–villus axis”的研究論文，該研究由北京大學生命科學學院、IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心李毓龍實驗室，美國加利福尼亞大學舊金山分校（UCSF）David Julius實驗室和澳大利亞阿德萊德大學霍普伍德神經生物學中心內臟疼痛研究組Stuart M. Brierley實驗室合作完成。該研究使用可遺傳編碼的5-HT熒光探針，結合藥理學操控、電生理記錄和轉錄分析等多種技術手段，發現腸道隱窩和絨毛的EC細胞表達不同的刺激響應受體、具有不同的5-HT釋放特徵，從而實現對腸道完整性的監測及刺激物的應激反應。

為了能夠即時監測腸道5-HT的時空動態變化，本研究基於李毓龍課題組於2024年發表的改進版本綠色熒光探針gGRAB_5-HT3.0（後續簡稱g5-HT3.0）構建了表達該探針的轉基因小鼠品系（圖1），透過將該報告品系和Vil1^cre品系小鼠雜交，成功地在腸道上皮細胞表達了g5-HT3.0探針，從而實現了對腸道中5-HT時空動態的成像（圖2）。

圖1. gGRAB5-HT3.0的探針原理及小鼠品系開發策略

圖2. 完整隱窩–絨毛結構的5-HT即時成像

除了能夠靈敏地檢測到高鉀溶液啟用EC細胞所引起的5-HT釋放，該系統也能檢測到隱窩處的5-HT自發釋放（影片1），但是在絨毛處並未檢測到，這暗示隱窩中的5-HT釋放存在兩種不同模式。隱窩表達一類瞬時受體電位離子通道（transient receptor potential ion channel）TRPA1（也叫做芥末受體），原位雜交實驗表明TRPA1在隱窩高表達，並且沿著底部的隱窩到頂部的絨毛表達量逐漸降低，隨後透過使用TRPA1受體的激動劑異硫氰酸烯丙酯（allyl isothiocyanate, AITC）處理分離的隱窩和絨毛，發現AITC處理能引起隱窩的5-HT釋放但是不能引起絨毛的5-HT釋放，並且TRPA1受體的拮抗劑A967079（A96）能夠減少隱窩EC細胞的自發活動。

進一步使用一個親和力更低的5-HT探針gGRAB_5-HT2m結合表達不同5-HT受體亞型的細胞記錄，發現隱窩EC細胞自發釋放的5-HT濃度較低（納摩爾範圍），僅能啟用代謝型受體（如5-HT₄或者5-HT₂），最終刺激離子分泌；而AITC刺激所引起的5-HT釋放濃度更高（微摩爾範圍），除了啟用代謝型受體，也能夠啟用5-HT₃離子通道型受體，進而啟用感覺神經元。因此腸道透過EC細胞釋放不同濃度的5-HT，結合腸道中不同的5-HT受體表達特徵，實現了對5-HT不同的訊號通路的啟用（圖3）。

圖3. 隱窩EC細胞存在TRPA1受體依賴的兩種5-HT釋放模式

那麼，生理病理條件下，腸道這一獨特的5-HT訊號是如何實現對刺激的響應的呢？為了探究黏液層是否確實能夠作為腸道應對刺激物的屏障，該研究使用保留了隱窩和黏液層的新鮮製備的腸組織，測試了不同親電體的刺激效應，發現只有高活性親電體丙烯醛（acrolein）能夠強烈刺激隱窩EC細胞，但是使用黏蛋白酶StcE處理腸組織降解黏液層後，原來無效的親電體（如AITC）也能快速地啟用隱窩EC細胞的TRPA1受體，由此表明正常生理條件下，只有很強的親電體能夠進入隱窩啟用EC細胞，而黏液層受損後，其它的刺激物也能啟用隱窩處的EC細胞引起5-HT的釋放（圖4）。而絨毛處則主要表達能夠被胞內ADP核糖啟用的TRPM2受體，氧化脅迫能夠啟用絨毛EC細胞，使其同時釋放5-HT和ATP，共同啟用粘膜迷走傳入神經。

圖4. TRPA1是黏液層保護下的隱窩EC細胞的親電體檢測器

本研究由國際多個團隊合作實現了“新技術-新發現-新想法”的突破，透過構建新型5-HT探針的報告品系小鼠，實現了腸道中5-HT的時空動態成像，發現腸道中隱窩和絨毛的EC細胞存在不同的釋放模式，並進一步解釋了隱窩-絨毛軸拓撲隔離的生理功能及病理機制（圖5），為理解腸道應激響應機制提供了新思路，也有助於開發新的腸道疾病的治療策略。

圖5. 腸應激反應中的區域化EC細胞訊號模式總結

UCSF的博士後Kouki K. Touhara為本文第一作者兼共同通訊作者，UCSF的David Julius教授、北京大學李毓龍教授和阿德萊德大學Stuart M. Brierley教授為共同通訊作者。值得一提的是，本研究涉及到國際間三個課題組的合作，三位共同合作發揮自己的專長推動了本研究，其中David Julius課題組的博士研究生Nathan D. Rossen進行了EC細胞的膜片鉗記錄，李毓龍課題組鄧飛博士（現為斯坦福大學博士後）開發了5-HT探針及轉基因小鼠品系，Stuart M. Brierley課題組的Joel Castro博士進行了空腸傳入神經電活動記錄，其他合作者也做出了重要貢獻。本研究中，李毓龍課題組得到了膜生物學國家重點實驗室、北大-清華生命科學聯合中心、國家自然科學基金和新基石科學基金會所設立的新基石研究員專案與科學探索獎等機構和經費的大力支援。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08581-9

原文連結：

https://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont/22/17620.html

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