《PLOS Biology》：Microbial tryptophan metabolism activates host lysosomal activity to facilitate lipid breakdown
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本文通過秀麗隱桿線蟲模型和哺乳動物肝細胞研究，揭示了腸道細菌色氨酸代謝產物——吲哚——通過激活宿主溶酶體功能，進而驅動脂質分解代謝的進化保守性機制。該研究闡明了“微生物-宿主”代謝對話中，細菌來源的小分子代謝物對宿主細胞器功能和脂質穩態的精準調控，為靶向溶酶體功能治療溶酶體功能障礙相關代謝疾病（如非酒精性脂肪肝病）提供了新的理論依據和潛在治療靶點。
Establishment of a lysosomal-responsive lipid reporter system to screen bacterial metabolic state changes regulating lipid metabolism
溶酶體是脂質代謝的核心細胞器。在秀麗隱桿線蟲中，溶酶體酸性脂肪酶LIPL-4的組成型激活可驅動脂質分子伴侶LBP-8等信號分子核轉位，從而轉錄激活代謝基因，促進脂肪動員。研究表明，lbp-8的表達水平與脂質積累呈負相關。為探究細菌代謝狀態是否影響宿主lbp-8>表達及脂質代謝，研究人員構建了溶酶體響應性脂質報告系統Plbp-8::GFP。研究發現，在營養豐富的LB培養基平板上培養的線蟲，其lbp-8在轉錄和翻譯水平均被顯著誘導，LBP-8的核轉位增強，同時油紅O染色顯示脂質儲存減少。這表明LB培養條件引發的細菌代謝變化能夠觸發宿主的LBP-8表達并促進脂質分解。
E. colitryptophan metabolism induces lbp-8expression and subsequent lipid breakdown
為鑒定調控lbp-8激活和脂質動員的細菌代謝因子，研究人員利用E. coli單基因敲除庫進行了全基因組篩選。在LB培養基條件下，19個E. coli突變體顯著降低了lbp-8的表達。基因本體分析顯示“代謝過程”類別包含最多基因，表明細菌代謝活性是影響lbp-8表達的主要因素。值得注意的是，tnaA是其中唯一直接參與色氨酸代謝的基因。TnaA是一種色氨酸酶，催化色氨酸轉化為吲哚、丙酮酸和銨。缺失tnaA的E. coli突變體在LB培養基上顯著抑制了lbp-8的表達，并導致線蟲體內總脂質水平升高，證實了E. coli依賴TnaA的代謝促進了lbp-8表達和隨后的脂質分解。
Indole, a bacterial tryptophan metabolite, regulates LBP-8 levels and lipid storage
為了驗證是色氨酸代謝在起作用，研究人員在標準NGM平板上補充色氨酸。結果顯示，色氨酸補充能強烈誘導lbp-8表達和LBP-8核轉位，并降低脂質水平。然而，當線蟲以tnaA突變體為食時，色氨酸的補充無法誘導lbp-8表達，脂質水平也未降低。此外，lbp-8突變體線蟲即使補充色氨酸，其脂質水平仍然較高。這些結果表明細菌色氨酸代謝通過LBP-8依賴途徑促進脂質分解。進一步分析TnaA催化產生的下游代謝物（吲哚、丙酮酸、銨）發現，只有吲哚的補充能特異性且顯著地誘導lbp-8表達和LBP-8核轉位，并減少脂質儲存，從而將吲哚鑒定為調節宿主LBP-8水平和脂質儲存的特異性細菌色氨酸次級代謝物。
E. colitryptophan metabolism activates lysosomal function
為闡明細菌色氨酸代謝調控宿主脂質代謝的分子機制，研究人員進行了RNA測序分析。KEGG通路分析顯示，溶酶體是對細菌色氨酸代謝物響應的關鍵通路，多種溶酶體相關基因被顯著誘導，其中包括負責將甘油三酯分解為游離脂肪酸的關鍵脂肪酶。這表明細菌色氨酸代謝可能通過調節溶酶體功能來介導線蟲的脂質代謝。通過評估溶酶體形態、酸化和降解能力，研究證實細菌色氨酸代謝能增強溶酶體功能。具體表現為：在色氨酸存在下，喂食K12菌的線蟲能保持更“年輕”的溶酶體囊泡形態；使用pH敏感報告蛋白NUC-1::pHTomato和LysoSensor Green檢測，發現溶酶體酸化增強；通過檢測NUC-1::CHERRY的切割和MagicRed染色，證實溶酶體降解活性提高。重要的是，色氨酸代謝物吲哚的補充同樣能增強表皮和腸道溶酶體的酸化及其降解活性。
E. colitryptophan metabolism drives lysosomal-dependent lipid degradation
為驗證細菌色氨酸代謝是否通過增強溶酶體活性來降低宿主脂質含量，研究人員遺傳干擾了溶酶體功能。敲低溶酶體Ca2+通道編碼基因cup-5或溶酶體脂肪酶編碼基因lipl-4，均能消除色氨酸誘導的脂質含量降低，并抑制lbp-8的上調。此外，敲低參與溶酶體內腔內囊泡形成和脂質降解的磷脂酶D同源基因F09G2.8或pld-1，也能部分逆轉色氨酸對lbp-8的激活和脂質含量的降低。這些發現表明，細菌色氨酸代謝促進線蟲脂質降解依賴于功能完整的溶酶體。
E. colitryptophan metabolism enhances mitochondrial β-oxidation through lysosomal activation to promote lipid metabolism
基因本體富集分析顯示，細菌色氨酸代謝顯著誘導了涉及線粒體代謝的“單加氧酶活性”和“氧化還原酶活性”相關基因。在脂質分解代謝中，溶酶體脂肪酶將儲存的甘油三酯水解為游離脂肪酸，隨后通過線粒體和過氧化物酶體β-氧化生成ATP。RNA測序數據顯示，參與脂肪酸β-氧化的關鍵基因在色氨酸處理的動物中上調。使用Pacs-2::acs-2::GFP報告基因直接評估，證實細菌色氨酸代謝特異性誘導了acs-2。線粒體活性氧探針MitoTracker Red CMXRos和氧化應激報告基因Psod-3::GFP、Pgst-4::GFP的檢測均表明β-氧化活性增強。更重要的是，acs-2敲除完全消除了色氨酸介導的脂質減少。此外，在色氨酸補充條件下，敲低溶酶體基因cup-5或lbp-8可降低線粒體活性氧水平和氧化應激報告基因表達。這些結果揭示了細菌色氨酸代謝通過溶酶體-LBP-8-線粒體信號軸，上調線粒體β-氧化，從而促進脂質代謝。
E. colitryptophan metabolites enhance lysosomal function and promote lipid breakdown in hepatocyte cell line
為探究細菌色氨酸代謝激活溶酶體功能以促進脂肪分解的機制是否保守，研究在哺乳動物肝細胞系中進行了驗證。用補充色氨酸的E. coliK12培養上清處理Huh7細胞，可顯著增加溶酶體酸度（LysoSensor Green染色）和降解活性（Magic Red染色及組織蛋白酶D成熟體水平），而這些效應可被溶酶體V-ATP酶抑制劑Bafilomycin A1 (BafA1)消除。在棕櫚酸/油酸誘導的脂質積累原代小鼠肝細胞模型中，K12菌上清處理能顯著減少脂質堆積，而tnaA突變菌上清則無此效果，且K12上清的降脂作用可被BafA1阻斷，證明細菌色氨酸代謝介導的脂質減少需要功能性的溶酶體。
Indole-mediated lipid reduction requires lysosomal function in hepatocytes
為確定細菌色氨酸代謝物吲哚是否直接促進溶酶體功能和脂質減少，研究用吲哚處理肝細胞。結果顯示，吲哚補充能顯著增強溶酶體酸化和組織蛋白酶B活性，并減少原代肝細胞中的脂質積累，且這些效應均可被BafA1消除，證明吲哚介導的脂質減少需要功能性溶酶體。進一步的體內實驗顯示，口服吲哚8周的小鼠，其分離的原代肝細胞溶酶體酸度和降解活性均顯著增強，肝臟中組織蛋白酶D的成熟水平也升高。這證實了細菌色氨酸代謝物吲哚在體內外均可激活肝臟溶酶體功能。
Discussion
該研究揭示，細菌色氨酸代謝物吲哚可激活溶酶體功能，從而促進線蟲和哺乳動物肝細胞的脂質分解代謝。在線蟲中，經由E. coli色氨酸酶TnaA產生的吲哚能增強溶酶體酸化和蛋白水解活性，進而誘導脂質分子伴侶LBP-8表達，刺激線粒體β-氧化，并減少脂質儲存。這一調控機制在進化上是保守的。該發現與之前關于腸道菌群衍生的色氨酸代謝物（如吲哚和吲哚-3-乙酸）可防止飲食誘導的肝脂肪變性的報告相一致，強化了微生物色氨酸代謝在非酒精性脂肪肝病和代謝綜合征中的功能意義。溶酶體在營養感知、自噬、衰老和組織再生等多種細胞過程中扮演著核心角色。研究發現吲哚能夠激活溶酶體，提示該通路可能在脂質代謝以外的、由溶酶體功能調節的生理環境中發揮作用。
Limitations of the study
本研究存在一些局限性。首先，宿主感知細菌色氨酸代謝物以激活溶酶體通路的分子機制尚未解析。其次，雖然從吲哚喂養小鼠分離的原代肝細胞中推斷出溶酶體激活，但技術限制阻礙了在肝組織中直接測量溶酶體酸化。開發用于小鼠模型體內溶酶體追蹤的pH報告基因將彌補這一空白。第三，哺乳動物的研究結果是基于純化的吲哚或細菌上清液。哺乳動物腸道中的細菌色氨酸代謝是否產生足夠的吲哚以在體內產生類似效果，仍有待在使用定植了野生型或tnaA缺陷菌的無菌小鼠中進行測試。
