欢迎点击【药用植物研究前沿】↑关注我们！
内容来源于Nature
2024年9月11日，上海交通大学医学院附属瑞金医院王卫庆、王计秋团队在Nature杂志发表了文章“A brain-to-gut signal controls intestinal fat absorption” 的文章。研究发现：肠道油脂吸收受到大脑的直接调控；当这条“脑肠轴”通道受到抑制时，小肠上皮细胞的微绒毛变短，导致吸收表面积缩小，随之油脂吸收减少、未被吸收的油脂从粪便中排出增加。此外，该研究发现了一种天然化合物葛根素，它可以模拟迷走神经背侧运动核DMV-迷走神经通路的抑制，从而减少脂肪吸收。光亲和化学方法和冷冻电子显微镜对GABAA受体-葛根素复合物结构的研究表明，葛根素结合到一个变构调节位点。值得注意的是，DMV中的条件性Gabra1敲除在很大程度上消除了葛根素诱导的肠道脂肪损失。总之，该研究发现抑制DMV-迷走-空肠轴通过缩短微绒毛长度来控制肠道脂肪吸收，并说明葛根素与GABRA1结合在减脂中的治疗潜力。
葛根作为药食同源的传统中药代表，在临床上已经有千余年的使用历史。葛根及其制剂对于心血管和代谢性疾病有着良好的疗效和安全性，但是其作用方式尚不清楚。（我们前期分享了多篇葛根素作用文章：GUT | 葛根素通过调节肠道微生物减轻动脉粥样硬化；Adv Sci | 葛根素增强SIRT5去琥珀酰化酶活性缓解急性肝损伤（靶点机制+药物筛选）；Phytomedicine | 葛根素通过拮抗TLR4/myd88，抑制巨噬细胞M1型极化，减轻肾脏炎症损伤；J. Agric. Food Chem | 葛根素通过调节肠道菌群和抑制p38MAPK信号通路延缓乳腺衰老；J Agric Food Chem | 葛根素通过激活自噬诱导巨噬细胞M2极化发挥抗酒精性脂肪性肝炎活性）。
这项工作使用前沿技术发现了葛根主要活性成分葛根素的分子靶点并阐明了其全新的作用机制，未来该成果的临床推广与应用有望为代谢性疾病患者带来福音；并且，对探索其他中药活性成分的药理作用具有示范标杆效应。未来，靶向DMV核团神经元以及GABAAR和微绒毛调控关键基因等，有望开发新型的减重药物。
摘要
虽然脂肪是饮食中重要的能量来源，但摄入过多会导致肥胖。目前普遍认为，肠道内的脂肪吸收是通过扩散的方式实现器官自主吸收。然而，这一过程是否由脑-肠轴控制，目前仍不清楚。本研究证明了迷走神经背侧运动核(DMV)在这一过程中起着关键作用。DMV神经元的失活会减少肠道脂肪吸收，从而导致体重减轻，而DMV的激活会增加脂肪吸收和体重增加。值得注意的是，投射到空肠的DMV神经元亚群的失活缩短了微绒毛的长度，从而减少了脂肪的吸收。此外，发现了一种天然化合物葛根素，它可以模拟对dmv -迷走神经通路的抑制，从而减少脂肪吸收。GABAA受体-葛根素复合物的结构的光亲和性化学方法和低温电子显微镜揭示葛根素结合到一个变构调节位点。值得注意的是，DMV中条件敲除Gabra1在很大程度上消除了葛根素诱导的肠道脂肪丢失。综上所述，发现抑制dmv-迷走神经-空肠轴通过缩短微绒毛的长度来控制肠道脂肪吸收，并阐明了葛根素结合GABRA1在减脂中的治疗潜力。
1.DMV调节空肠脂肪吸收
考虑到DMV在脑-肠通路中的核心作用，首先评估了DMV神经元失活对肠道脂肪吸收的影响。使用专门由设计药物激活的化学遗传设计受体(DREADDS)技术，并将表达cre依赖性hM4D(Gi)的重组腺相关病毒(rAAV- ef1 α- dio -hM4D(Gi)-mCherry)或对照AAV (rAAV- ef1 α- dio -mCherry)双侧注射到Phox2b-cre杂合子小鼠的DMV区域。这种方法能够特异性靶向DMV中的PHOX2B神经元群(图1a-c)。腹腔内注射后注射CNO后，DMV神经元被抑制的小鼠(Px2b-4i)与对照组小鼠(Px2b-con)相比，体重增加较少(图1d)。通过口服脂肪耐量试验(OFTT)比较各组肠道甘油三酯(TG)吸收情况。Px2b-4i小鼠在油灌胃后显示比Px2b-con小鼠更低的血浆TG水平(图1e)。从Px2b-4i小鼠收集的粪便中，非酯化脂肪酸(NEFA)和TG(图1f,g)的含量显著高于对照小鼠的粪便，这表明DMV抑制后脂肪排泄增加。同样，观察到Px2b-4i小鼠的空肠脂肪吸收减少(图1h)，这是负责脂肪吸收的主要部位。这些发现表明，DMV抑制导致空肠脂肪吸收减少。
为了证实上述肠道表型主要是由DMV神经元而不是其他phox2b表达神经元(如NTS中的神经元)的失活导致的，进一步在Chat-cre小鼠中对DMV神经元进行了化学遗传失活。在这些小鼠中，Cre重组酶选择性地在胆碱能(CHAT+)神经元中表达，这些神经元主要位于DMV，而不在nts(图1i)。将cre依赖性AAV-hM4D(Gi)注射到Chat-cre小鼠的DMV中(图1j)。在添加CNO后，观察到Chat-4i小鼠与Chat-con小鼠相比，体重增加更少，血浆TG水平更低，粪便脂肪排泄更多，空肠脂肪吸收更少(图1k-o)。这些结果与Px2b-4i小鼠的表型一致，并验证了DMV抑制对空肠脂肪吸收的抑制作用。
图1:DMV控制空肠脂肪吸收和体重增加
2.葛根素抑制DMV的鉴定
为了识别调节DMV神经元的化学分子或天然化合物，将药物治疗和电生理相结合，对PHOX2B-Cre:Rosa26-tdTomato小鼠的脑干切片进行了研究。葛根素是一种被批准用于治疗心脑血管疾病的药物，葛根素的Bath应用导致动作电位频率显著降低(图2a,b)，这是由于DMV神经元的膜电位超极化(图2c)。在总共22个检测到的神经元中，16个(72.7%)显示了葛根素抑制的放电变化模式(图2d)。在腹腔注射葛根素后喂养高脂饮食的小鼠中，与对照组小鼠相比，DMV中fos阳性神经元的数量显著减少(图2e,f)。还观察到葛根素(腹腔)治疗在不影响摄食的情况下减少了体重增加(图2g,h)，降低了血浆TG水平(基于OFTT;图2i)，增加粪便脂肪排泄(图2j,k)和抑制空肠脂肪吸收(图2l)。为了避免葛根素对周围器官的潜在混杂作用，配对喂养的高脂饮食小鼠侧脑室注射葛根素(图2m)。葛根素治疗持续抑制体重增加和降低血浆TG水平(图2n,o)。值得注意的是，还观察到葛根素的中央给药增加了粪便总脂质含量(图2p,q)和减少了空肠TG含量(图2r)。综上所述，这些结果表明葛根素具有抑制DMV活性的作用，从而导致空肠脂肪吸收的减少。
图2:葛根素抑制DMV活性，导致空肠脂肪吸收减少
3. 葛根素靶向GABRA1抑制DMV
为了阐明介导DMV神经元对脂肪吸收的抑制作用的分子机制，接下来使用葛根素作为诱饵，进行了基于活性的蛋白质谱分析策略。葛根素标签探针与光反应标签合成，通过光亲和化学反应富集和可视化目标蛋白(图3a)。验证了探针标记的葛根素与未标记的葛根素保持相同的增加粪便脂质排泄的效果。将探针标记的葛根素添加到新鲜分离的脑干样本中，并使用10剂未标记的葛根素作为探针标记的葛根素的竞争剂(方法)。光亲和反应后，通过液相色谱和串联质谱(LC-MS /MS)鉴定目标蛋白。在571个潜在的靶蛋白中(图3b)，只有14个候选蛋白属于膜受体和离子通道。在这14种蛋白质中，GABRA1被优先考虑为有前景的靶点，因为它在DMV中大量表达，而在邻近脑区中表达较少(Allen brain Map数据库)。此外，GABAA受体与迷走神经调节有关。通过蛋白质印迹法验证了探针标记的葛根素和GABRA1蛋白之间的相互作用(图3c)。还检测到探针标记的葛根素与DMV区域PHOX2B-tdTomato神经元中的GABRA1高度共定位，并且这些信号可以被10个剂量的非标记的葛根素阻断(图3d)。
GABAA受体是五聚体配体门控离子通道，是脊椎动物神经系统中抑制性神经传递的主要决定因素。为了研究葛根素对含α1亚基的GABAA受体的作用，使用了α1β3γ2L异五聚体，一个典型的神经元亚型。首先，通过全细胞膜片钳记录表达该受体的HEK293S细胞，发现葛根素放大了gaba诱导电流(图3e,f)。接下来，我们解决了与葛根素结合的α1β3γ2L GABAA受体的单粒子低温电子显微镜(cryo-EM)结构，名义分辨率为2.4 Å(图3 g)。葛根素密度在α1+/γ2 -界面的C环下观察到(图3 g),一个经典的结合位点对苯二氮卓类和其他细胞外区域的变构调节器对GABAA receptors突触。在这个口袋里，葛根素的表面积为587 Å2。其羟基苯基指向γ2-C -亚基，色酮和葡萄糖苷主要与α1-D+-亚基结合。α1Tyr210和γ2Phe77残基通过π -π叠加作用锚定葛根素色酮核心。除了水介导的接触外，葛根素结合还通过一个氢键网络来稳定，该网络涉及环C残基α1Ser205和α1Thr207，以及α1His102和γ2Asp56(图3h）。这些结构数据，连同电生理记录，表明葛根素作为正变构调节剂。
为了证实葛根素可以通过DMV GABRA1抑制脂肪吸收，将Gabra1flox/flox (Gabra1fl/fl)小鼠与Phox2b-cre小鼠杂交，产生GABRA1条件性敲除(cKO)小鼠。在没有Gabra1的情况下，观察到与对照flox小鼠相比，DMV神经元活动增加，体重增加(图3i,j)，粪便脂肪排泄减少(图3k,l)和空肠脂肪吸收增加(图3m)。值得注意的是，在对脑干切片进行全细胞膜片钳记录时，葛根素对对照组小鼠的大部分DMV神经元(70%，14 / 20)产生抑制作用，但在没有Gabra1的情况下，葛根素的作用大大降低(19.05%，4 / 21)。此外，Gabra1的缺失消除了葛根素抑制脂肪吸收和体重增加的作用(图3i-m)。综上所述，数据表明葛根素通过与含有α1亚基的GABAA受体结合，对dmv -迷走神经轴发挥抑制作用，从而调节脂肪吸收。
图3:葛根素结合GABAA受体的α1亚基来调节DMV神经元
4.空肠投射DMV神经元在脂肪吸收中的作用
dmv-迷走神经投射到胃肠道的不同节段。为了靶向投射到空肠的DMV神经元，将编码小麦-胚芽凝集素(WGA)和Cre重组酶融合蛋白的逆行AAV病毒(AAV- hsyn -WGA-Cre- p2a -mcherry (AAV-WGA-Cre))注射到野生型小鼠的空肠。同时，将cre依赖性hM4D(Gi)或对照AAV病毒注射到DMV区域，从而实现对投射到WGA-hM4D(Gi) (WGA-4i)小鼠或对照(WGA-con)小鼠空肠的DMV神经元的化学遗传操作(图4a,b)。与在Phox2b-cre和Chat-cre小鼠中DMV神经元失活时观察到的结果一致，观察到WGA-4i小鼠的体重增加较少(图4c,d)，血浆TG水平降低(图4e)，粪便脂肪排泄增加(图4f,g)和空肠脂肪吸收减少(图4h)。这些结果表明，投射到空肠的DMV神经元可以直接调节脂肪吸收和体重增加。
图4:空肠投射的DMV神经元控制脂肪吸收和体重增加
5.DMV控制空肠微绒毛长度
接下来，探讨了葛根素和dmv -迷走神经轴如何影响脂肪吸收。首先检测了dmv灭活小鼠空肠中脂质转运蛋白的表达，但未观察到显著变化。脂肪吸收效率被认为与总表面积的变化密切相关;然而，在灭活DMV神经元或注射葛根素后，空肠上皮绒毛的长度没有明显变化。值得注意的是，使用基于EM图像的分析，观察到在DMV神经元失活后，空肠微绒毛的长度减少(图5a-c)。与此同时，调控微绒毛的基因，包括Ezr(编码ezrin)、Cdc42、Eps8和Vil1，在dmv灭活小鼠中的表达水平显著低于对照小鼠(图5d)。此外，失活空肠投射DMV神经元显示出类似的结果，空肠微绒毛长度和相关基因表达减少(图5e-h)。与DMV抑制的结果一致，葛根素(i.p)处理缩短了微绒毛的长度并降低了相关基因的表达，而在DMV中缺失Gabra1减弱了葛根素的这些作用(图5i-m)。总之，这些观察结果说明了一个模型，在这个模型中，DMV -迷走神经通路通过影响空肠微绒毛长度来控制肠道脂肪吸收。
图5:抑制dmv -迷走神经通路缩短空肠微绒毛以减少脂肪吸收
结论
在本研究中，确定了一条控制脂肪吸收的大脑（DMV）到肠道（空肠）通路。发现 DMV 神经元的失活会通过缩短微绒毛的长度来抑制空肠的脂肪吸收。此外，证明了临床实践中使用的天然化合物葛根素可以灭活 DMV 神经元并通过 GABAA受体抑制脂肪吸收，从而揭示一种减少脂肪吸收的适用药物。针对性控制DMV-迷走神经通路来调节肠道脂肪吸收可能是治疗肥胖和代谢疾病的潜在策略，为未来研究脑-肠控制营养吸收铺平了道路。
Lyu Q, Xue W, Liu R, Ma Q, Kasaragod VB, Sun S, Li Q, Chen Y, Yuan M, Yang Y, Zhang B, Nie A, Jia S, Shen C, Gao P, Rong W, Yu C, Bi Y, Zhang C, Nan F, Ning G, Rao Z, Yang X, Wang J, Wang W. A brain-to-gut signal controls intestinal fat absorption. Nature. 2024 Sep 11. doi: 10.1038/s41586-024-07929-5.
如有投稿、建议、交流或发现违法、侵权、不良信息等，请发送邮件至yyzwyjqy@163.com与我们联系。
原文链接请点击下方阅读原文
