Cell：腸嗜鉻細胞介導腸腦軸對話的機制丨BioArt國科大論壇

BioArt按：6月24日，BioArt推出「國科大論壇」專欄，旨在鼓勵科學院大學（UCAS）生命學院的優秀大學部生接觸學術最前沿，激發他們對生命科學某些領域深層次的理解，同時也鍛煉他們對科學報道的寫作能力。該論壇的推出，得益於中科院生物物理所苗龍研究員的大力支持。苗老師本學期在科學院大學給大學部生（2014級，國科大第一屆大學部生）講授《發育生物學》課程的同時，給學生布置了相關「作業」並鼓勵他們積極投稿BioArt發表。今日BioArt推出第二篇系列文章，這篇文章解讀的是近日來自UCSF的科學家發表在Cell雜誌上題為「Enterochromaffin Cells Are Gut Chemosensors that Couple to Sensory Neural Pathways」的研究論文，該項研究揭示了位於腸道上皮的腸嗜鉻細胞，可以作為直接感知來自體內和體外多種刺激的化學感受器，並且可以與傳入神經元建立突觸連接從而進行信息傳遞。

撰文丨賀琦翔（科學院大學2014級大學部生）

導讀： 有的人吃了辣椒芥末等刺激性食物會肚子痛，有的人精神高度緊張時毫無飢餓感，研究認為腸道上皮和神經系統之間的信息傳遞參與上述現象，但人們對於腸上皮與神經系統信息傳遞的精確機制仍知之甚少。6月22日，來自加州大學洛杉磯分校的David Julius教授與Holly A. Ingraham教授的研究團隊合作在Cell 雜誌在線發表了題為「Enterochromaffin Cells Are Gut Chemosensors that Couple to Sensory Neural Pathway」的研究論文，該項研究揭示了位於腸道上皮的腸嗜鉻細胞，可以作為直接感知來自體內和體外多種刺激的化學感受器，並且可以與傳入神經元建立突觸連接從而進行信息傳遞。

背景介紹：

腸道上皮作為人體與外界接觸面積最大的表面之一，在整合環境信息與人體免疫、神經和血管系統中起著重要作用【1】。其能夠感受來自飲食刺激物、腸道菌群副產物和炎症因子等刺激，引發一系列包括腸胃運動、代謝和疼痛等下游信號通路【2】。

腸嗜鉻細胞（Enterochromaffin cells, EC）是一種罕見的腸上皮內分泌細胞，因具嗜鉻性得名。僅占腸上皮1%不到的腸嗜鉻細胞，分泌了超過人體90%的血清素（又名5-羥色胺），而5-羥色胺作為人體一種重要的神經遞質，幾乎影響到大腦活動的每個方面：從調節情緒、精力、記憶力到塑造人生觀。之前有研究表明腸嗜鉻細胞參與調節腸胃運動、收縮和疼痛【3】，可是限於腸嗜鉻細胞的體積小和數量少，科研人員很難在體內研究它們。因此調控腸嗜鉻細胞分泌血清素以及將刺激信息傳遞給神經系統的精確分子機制至今尚不明朗。

Julius教授的研究團隊利用類器官培養的方法，在體外重現腸道的複雜環境。研究發現：腸嗜鉻細胞具有表達多種電壓門控離子通道因此具有可興奮性；同時細胞上有多種受體，分別接受來自飲食、菌群代謝物和兒茶酚胺（多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素）的刺激；受體的激活觸發依賴電壓門控Ca2+通道的血清素釋放，血清素通過突觸類的連接方式，激活帶有血清素受體的初級傳入神經元，將信息傳遞給神經系統。

論文解讀：

研究人員首先提出的科學問題是腸嗜鉻細胞是否具有感受體細胞的標誌——表達電壓門控離子通道，從而使細胞具有電興奮性。通過對取自小鼠腸道類器官的腸嗜鉻細胞的電生理學實驗和mRNA表達譜分析，研究人員發現腸嗜鉻細胞表達多種電壓門控離子通道並且具有電興奮性（下圖）。

圖一 （A）熒光蛋白標記的小鼠腸道類器官中的腸嗜鉻細胞；（B）對標記的腸嗜鉻細胞進行膜片鉗電生理實驗

接下來研究人員提出的第二個科學問題是既然腸嗜鉻細胞具有電興奮性，那麼都有什麼物質可以刺激細胞興奮？通過對30種已經證實存在於腸道內潛在的刺激物的篩選，研究人員發現了三類明顯刺激腸嗜鉻細胞興奮的物質：（1）異硫氰酸烯丙酯（Allyl isothiocyanate, AITC）,一種存在於芥末和其它芥菜中的刺激劑；（2）異戊酸（Isovalerate）,腸道菌群代謝產生的一種揮發性酸；（3）兒茶酚胺類激素（Catecholamine），腸道受傷或者受刺激時會分泌量會增加，起調節作用的一類激素。

隨之而來的科學問題就是這三類刺激物又是通過什麼信號通路刺激細胞興奮：是三類刺激物擁有同一個信號通路？還是通過各自的信號通路使細胞興奮呢？研究人員對腸嗜鉻細胞進行進一步的轉錄本分析以及一系列的電生理實驗，發現腸嗜鉻細胞分別表達不同刺激物的受體來直接感知刺激：（1）TRPA1離子通道（transient receptor potential A1）作為感知來自飲食刺激物的AITC的感受器；（2）Olfr558（olfactory receptor 558）作為感知來自微生物代謝產物異戊酸的感受器；（3）α2A adrendoreceptor（Adrα2A）—TRPC4通道信號級聯通路作為感知來自兒茶酚胺類激素的感受器。

腸嗜鉻細胞接受刺激後會通過釋放血清素引發下游事件，那麼觸發腸嗜鉻細胞釋放血清素的機制是什麼呢？此前研究腸嗜鉻細胞釋放血清素的經典方法是使用完整組織或者模型內分泌細胞系【4】，限於腸嗜鉻細胞數量極少，故無法準確研究血清素釋放的分子機制。值得一提的是，研究人員創新性地藉助用熒游標記的小鼠腸道類器官，在單細胞水平同時檢測腸嗜鉻細胞與相鄰的感測器細胞的電生理指標（如下圖），突破了之前的技術限制，發現血清素的釋放依賴於腸嗜鉻細胞的電壓門控鈣離子通道的激活。

圖二 （A）5-HT「生物感受器」實驗：綠色熒光蛋白標記腸嗜鉻細胞，紅色熒光蛋白標記表達5-羥色胺受體的HEK293 細胞；（B）電生理實驗：在單細胞水平同時檢測腸嗜鉻細胞Ca2+反應與感受器細胞電流變化示意圖

有了上述研究背景，研究人員提出另一個重要的科學問題，腸嗜鉻細胞釋放的血清素引發下游事件，其機制是通過彌散的體液傳播方式還是通過點對點的突觸連接傳播機制呢？研究人員通過對帶有熒光蛋白標記的小鼠腸道組織樣品分析，發現了很多腸嗜鉻細胞與表達有5-羥色胺受體的神經元空間位置相鄰。進一步實驗發現腸嗜鉻細胞表達有突觸前標記蛋白，而鄰近的傳入神經元表達有突觸后標記蛋白，從而證實腸嗜鉻細胞與神經元以突觸連接傳遞信息，將腸道內的信息傳遞給大腦（下圖）。

圖三 腸上皮切片中：腸嗜鉻細胞表達突觸前蛋白標誌物（藍色熒光的突觸蛋白）；相鄰細胞表達有突觸后蛋白標誌物（紅色熒光的PSD-95）；以及突觸結構的三維重構圖

總的來說，這篇文章第一次揭示了腸嗜鉻細胞可以作為多調式化學感測器，直接感受腸道來自體內外刺激並解釋其分子機制。同時發現腸嗜鉻細胞與神經元通過突觸連接方式，直接與大腦傳遞信息（如下圖）。這項研究成果增加了對腸——腦軸的精密調控機制的了解，也為如腸應激綜合征等諸多腸胃功能失調疾病治療提供了一些指導。這項研究成果隨之帶來一些科學問題，比如，由於小鼠與人在進化上的差異和生活環境的不同，腸嗜鉻細胞的生理學狀態和遺傳學特徵具有物種特異性，不同物種的腸嗜鉻細胞生理和病理學差異性尚不明朗。此外，同一個體內彌散分佈的腸嗜鉻細胞由於微環境的不同對其可塑性的影響，在同一個腸嗜鉻細胞內部感知不同刺激的信號通路之間的交流都需要更多的探究。

圖四 腸嗜鉻細胞介導腸——腦軸信息傳遞的模式圖

參考文獻：

1、Furness, J.B., Rivera, L.R., Cho, H.J., Bravo, D.M., and Callaghan, B. (2013). The gut as a sensory organ. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 10, 729-740

2、Brierley, S.M., and Linden, D.R. (2014). Neuroplasticity and dysfunction after gastrointestinal inflammation. 11, 611-627.

3、Gershon, M.D(2013). 5-Hydroxytryptamine (serotonin) in the gastrointestinal tract. Curr. Opin. Endocrinol. Diabetes Obes. 20, 14-21.

4、 Yano, J.M., Yu, K., Donaldson, G.P., Shastri, G.G., Ann, P., Ma, L., Nagler, C.R., Ismagilov, R.F., Mazmaniam, S.K., and Hsiao, E.Y. (2015). Indigenous bacteria from the gut microbiota regulate host serotonin biosynthesis. Cell 161, 264-276.

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