改善吸菸加重的非酒精性脂肪肝炎——人類腸道菌降解尼古丁

隨著現代社會經濟的高速發展及人們生活方式的轉變，

非酒精性脂肪肝

（Nonalcoholic fatty liver，

NAFL

）已成為威脅人類健康的重大代謝性疾病。如不加以干預和治療，NAFL會進一步進展為

非酒精性脂肪肝炎

（nonalcoholic steatohepatitis，

NASH

），繼而誘發不可逆的肝硬化甚至肝癌。然而，目前我們對影響NASH的因素、病理機制均不甚清楚，導致目前仍沒有獲得批准的治療NASH藥物

【1】

。

菸草使用是導致全球可預防性疾病和死亡的最主要因素

【2】

。據報道，全球吸菸者人數一直保持在11億以上，比例高達15%。近年來我國控煙效果明顯，但直接吸菸人數仍超過3億，被動吸菸人數難以計數。

多項臨床研究表明吸菸與NASH進展密切相關

【3,4】

，

但其分子機制尚不清楚缺乏有效的干預策略。

2022年10月20日，北京大學醫學部基礎醫學院、北京大學第三醫院醫學創新研究院

姜長濤

團隊聯合美國國立衛生研究院

Frank Gonzalez

團隊、浙江大學醫學院第一附屬醫院

虞朝輝

團隊、復旦大學基礎醫學院

李洋

團隊以及溫州醫科大學附屬第一醫院

鄭明華

團隊，在

Nature

雜誌線上發表了題為

Gut bacteria alleviate smoking-related NASH by degrading gut nicotine

的研究論文，

首次揭示了吸菸期間尼古丁在腸道中累積，啟用腸上皮AMPKα-SMPD3-神經醯胺軸，透過腸—肝對話促進NASH的關鍵機制。

更為重要的是，研究人員

首次發現了人類腸道菌群可以有效地降解腸道尼古丁

，揭示了對腸道尼古丁具有高效降解作用的腸道共生菌—解木聚糖擬桿菌（Bacteroides xylanisolvens），並鑑定了新型尼古丁代謝酶NicX及其代謝產物。B。 xylanisolvens透過NicX降解腸道尼古丁，有效緩解吸菸加重的NASH進展。

長期以來，姜長濤教授團隊一直致力於代謝性疾病的發病機制與轉化醫學研究，重點聚焦器官間對話。團隊前期發現臨床一線降糖藥二甲雙胍透過腸道脆弱擬桿菌—膽汁酸GUDCA—腸FXR代謝軸有效預防與治療代謝性疾病的新機制（Nat Med。， 2018）；揭示了腸道菌群代謝產物膽汁酸GDCA與TUDCA調控天然免疫系統的關鍵成員—3型天然淋巴細胞（ILC3）的功能穩態，進而改善多囊卵巢綜合徵的新機理（Nat Med。， 2019）；發現了宿主基因—腸道菌群—宿主代謝互動調控的新正規化，闡明瞭宿主腸缺氧誘導因子2α（HIF-2α）透過乳酸誘導腸道普通擬桿菌與扭鏈瘤胃球菌比例失衡，擾亂膽汁酸穩態，從而抑制脂肪產熱的新機制（Cell Metab。， 2021）。基於以上發現，姜長濤教授團隊提出了“代謝性疾病腸治”的新理論，揭示腸道菌群代謝物膽汁酸和神經醯胺是介導器官間對話的關鍵介質，闡明扭鏈瘤胃球菌、腸FXR、TGR5、IL-22、HIF-2α等多個代謝性疾病干預的新靶標。在對NASH發病機制的研究過程中，姜長濤教授團隊敏銳察覺到，吸菸作為與NASH發病密切相關的致病因素，可能存在透過器官間對話發揮作用的未知致病機制。理解吸菸影響NASH的互作器官、關鍵介質、分子機制及潛在調控方式，對於加深理解吸菸危害、開發相應靶向干預措施具有重要意義。

既往有關尼古丁的大量研究主要關注於其對肺和腦等器官的影響，為了更加全面和準確地探究不同組織中尼古丁的分佈、功能，研究人員運用代謝組學技術對來自30名非吸菸者和30名吸菸者的迴腸末端粘膜活檢組織、血清和糞便樣本中的尼古丁進行了精確測定，同時結合多種小鼠尼古丁暴露（煙霧、飲水和注射）模型，檢測不同組織的尼古丁分佈情況。實驗結果令人驚奇的發現，吸菸者的迴腸粘膜組織、不同小鼠模型的迴腸及其內容物中都具有高水平的尼古丁。以上研究表明，

吸菸或者尼古丁暴露期間，腸道中會有大量的尼古丁累積

。更重要的是，尼古丁暴露後，無菌（GF）小鼠迴腸及其內容物中的尼古丁濃度高於SPF小鼠，提示腸道菌群具有降解腸道尼古丁的潛力。

腸道菌群是否可直接降解尼古丁？其關鍵降解菌、降解產物及代謝通路是什麼？這些問題此前尚未有研究報道。在發現腸道菌群對尼古丁具備潛在的降解能力後，研究人員對吸菸者糞便樣本進行了宏基因組學分析，發現B。 xylanisolvens是與腸道尼古丁水平相關性最顯著的腸道共生菌。隨後，研究人員透過體外及在體實驗進一步驗證了

B. xylanisolvens對尼古丁的高效降解作用

，並結合一系列色譜、光譜技術，鑑定出尼古丁的代謝產物為4-羥基-1-（3-吡啶）-1-丁酮（HPB），其結構完全不同於宿主對尼古丁的代謝產物可替寧，是一種新型尼古丁代謝產物。透過對B。 xylanisolvens全基因組測序與功能基因分析，研究人員發現了其潛在的尼古丁降解酶NicX，體外酶活實驗證實了NicX對尼古丁的降解及對HPB的生成作用。研究人員構建了nicX基因敲除的B。 xylanisolvens菌株以及nicX基因異源表達的E。 coli菌株，驗證了NicX酶對尼古丁的降解作用。小鼠給予尼古丁處理可以顯著加重高脂高果糖高膽固醇飲食（HFHFrC）誘導的NAFL- NASH進展，而定植B。 xylanisolvens（野生型和nicX敲除株）後，

可透過NicX依賴的方式緩解尼古丁促進的NASH程序

。這一發現為靶向特定腸道菌群及其代謝酶治療尼古丁相關NASH提供了新策略。

研究人員發現，腸道中尼古丁積累顯著啟用腸上皮細胞AMPKα1訊號，而不是AMPKα2。在小鼠模型中，腸上皮細胞特異性敲除AMPKα1可以明顯改善尼古丁加重的NASH，提示腸AMPKα1在尼古丁加重NASH程序中具有關鍵作用。進一步，研究人員結合磷酸化蛋白質組學及脂質組學等手段，揭示尼古丁可以啟用神經醯胺代謝酶鞘磷脂磷酸二酯酶3（SMPD3）S208（人類為S209）位點的磷酸化，促進腸源神經醯胺分泌。機制研究證實，

SMPD3是AMPKα1新的磷酸化底物。

隨後，研究人員透過修飾質譜確定S208（S209）位點的磷酸化可影響K103位點的泛素化修飾。透過構建針對S208（S209）位點和K103位點的突變蛋白和特異性抗體，確定了AMPKα1可以直接結合並磷酸化SMPD3的S208（S209）位點，從而抑制K103位點的泛素化，進而透過抑制SMPD3蛋白酶體降解途徑，最終增加SMPD3活性。這一發現

首次將AMPK訊號與鞘脂神經醯胺代謝連線起來，揭示了AMPK新的重要功能

。

為進一步驗證腸SMPD3介導的神經醯胺合成在尼古丁誘導NASH中的作用，研究人員透過對腸上皮細胞AMPKα1特異性敲除小鼠回補神經醯胺，發現可以逆轉腸AMPKα1特異性敲除引起的改善作用。而給予SMPD3的抑制劑GW4869處理之後，NASH表型顯著緩解，驗證了腸SMPD3-神經醯胺軸在治療尼古丁誘導NASH中的潛在靶向價值。

最後，研究人員招募了83例經肝臟活檢證實的NAFLD患者，包括41名吸菸者和42名非吸菸者，對其糞便樣本進行了宏基因組、靶向代謝組學檢測以及關聯分析。結果顯示，吸菸者糞便中的尼古丁水平與NASH程序呈正相關，而B。 xylanisolvens丰度、尼古丁菌源降解產物HPB則與NASH程序呈負相關。而在非吸菸者糞便中，B。 xylanisolvens丰度與NASH嚴重程度之間則沒有明顯相關性。這些結果表明，B。 xylanisolvens介導的尼古丁降解可以保護吸菸人群的肝臟損傷作用。

吸菸與NASH是危害人類健康的重大問題，本研究首次將吸菸過程中的尼古丁腸道累積引入視野，闡明瞭尼古丁透過腸道—肝臟對話加重NASH的分子機制。更為重要的是，研究人員揭示了腸道共生菌在尼古丁誘導NASH中的關鍵保護作用，為後續基礎研究與臨床治療提供了新的靶點與方向。

姜長濤

教授、

Frank Gonzalez

研究員、

虞朝輝

教授、

李洋

研究員、

鄭明華

教授為本文的共同通訊作者。北京大學醫學部基礎醫學院博士後陳博、美國國立衛生研究院博士後孫露露、北京大學醫學部基礎醫學院博士研究生曾廣易、浙江大學醫學院第一附屬醫院沈哲教授、北京大學醫學部基礎醫學院博士後汪鍇、復旦大學基礎醫學院博士研究生尹利敏為本文的共同第一作者。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05299-4

參考文獻

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4。 Zein， C。 O。 et al。 Smoking and severity of hepatic fibrosis in nonalcoholic fatty liver disease。

J Hepatol

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