徐勇教授团队揭示色氨酸肠道代谢产物吲哚丙酸改善糖尿病肾病的作用机制

文摘   2024-09-04 20:50   北京  

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西南医科大学附属医院  曾艳  徐勇
编者按:全球有超过10%的成年人患有糖尿病,而且这一数字还在逐年上升。糖尿病肾病(DKD)是糖尿病的主要并发症,影响约40%的糖尿病患者,严重降低了患者的生活质量,并显著增加了医疗成本、终末期肾病、心血管事件风险及死亡风险。DKD的发病机制复杂,现有的防治措施成效有限。因此,深入研究DKD的发病机制、寻找有效的治疗靶点、探索新型治疗方法具有重要的理论价值和现实意义。

肠道微生物组通常被称为人体的“第二基因组”,对宿主的生理机能产生深远影响,而通过产生肠道菌群的代谢产物是其发挥作用的关键途径。近年来,越来越多的研究表明,肠道微生态在肾脏疾病的发生和发展过程中起着重要作用,“肠-肾轴”理论已成为研究各种肾脏疾病病理生理机制的新视角。然而,肠道菌群及代谢产物如何影响肾脏疾病的进展仍有待进一步阐明。

近期,西南医科大学附属医院徐勇教授团队的研究取得了重要进展。他们解析了DKD状态下肠道菌群及其代谢产物的变化,创新性地发现色氨酸代谢产物——吲哚丙酸(indole-3-propionic acid,IPA)与DKD的发生关系密切,它通过抑制SIRT1蛋白的泛素化降解,发挥线粒体保护作用,改善肾小球内皮细胞的结构和功能,从而减少尿蛋白,改善DKD。这一研究成果发表在国际权威学术期刊J  Adv  Res 上(中科院1区,影响因子11.4)。





一.DKD状态下肠道色氨酸代谢菌群及其代谢产物显著改变


研究团队通过粪便宏基因组测序和血清非靶向代谢组学,发现与对照组相比,DKD小鼠的肠道微生物群落结构和血清代谢流发生了显著变化,特别是与色氨酸代谢相关的菌群及其吲哚衍生物(图1)。关联分析显示,这些菌群及色氨酸吲哚衍生物与DKD引起的肾功能下降密切相关。

图1. DKD小鼠肠道微生物群落结构和色氨酸代谢异常


二.DKD患者血清IPA含量异常并与肾功能下降密切相关


研究团队随后进行了临床横断面研究,通过定量分析血清中的色氨酸代谢物,验证了在小鼠中观察到的现象。DKD患者的血清色氨酸吲哚衍生物代谢异常,尤其是血清IPA含量显著降低,并且与空腹血糖、糖化血红蛋白、肾小球滤过率及尿白蛋白肌酐比值显著相关(图2)。这提示色氨酸肠道代谢产物IPA在DKD的发生发展中可能扮演着重要的角色。

图2. DKD患者血清IPA水平下降并与空腹血糖、HbA1c、eGFR和UACR显著相关


三.IPA补充有效降低DKD小鼠尿白蛋白水平并改善肾损伤和线粒体功能


为明确IPA在DKD中的作用,研究团队通过体内外实验探讨了IPA干预对DKD的影响。结果表明,IPA补充能够有效降低DKD小鼠的尿白蛋白水平,改善肾脏病理结构、减少肾纤维化,并维持肾小球滤过屏障的完整性。此外,IPA显著缓解了肾小球内皮细胞的线粒体结构和功能损伤,减少线粒体肿胀、恢复线粒体数量,并抑制活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)的生成,提升ATP含量和线粒体膜电位(图3)。

图3. IPA有效降低DKD小鼠的尿白蛋白并改善肾脏的结构和功能


四.IPA促进SIRT1/PGC-1α信号通路激活


接下来,研究团队探讨了IPA改善线粒体损伤的分子机制。体内外实验结果表明,IPA促进了SIRT1蛋白的表达,增强了PGC-1α的去乙酰化和核转位,从而上调了SOD2和mtTFA的表达。进一步研究发现,SIRT1基因敲除不仅抑制了PGC-1α信号通路的激活,还阻断了IPA对该通路的调控作用,同时削弱了IPA在促进线粒体生物合成和抗氧化应激方面的效果,并减少了IPA在降低DKD小鼠尿白蛋白水平方面的作用。这些结果表明,IPA通过SIRT1/PGC-1α信号通路发挥保护线粒体功能、抗氧化应激及改善DKD的作用。


五.IPA抑制磷酸化诱导的SIRT1蛋白泛素化降解


该研究发现,尽管IPA干预上调了SIRT1蛋白水平,但并不影响其转录(图4)。IPA干预能够减轻高糖诱导的SIRT1多聚泛素化,并减弱SIRT1与E3泛素连接酶MDM2之间的相互作用,表明IPA抑制了SIRT1的泛素-蛋白酶体降解途径。Ser-46的点突变消除了IPA对SIRT1磷酸化及其多聚泛素化的调控作用。这些结果表明,SIRT1的Ser-46磷酸化在其泛素化降解中起关键作用,而IPA通过抑制这一磷酸化修饰,从而阻止SIRT1的泛素化降解,稳定其蛋白水平。

图4. IPA抑制磷酸化诱导的SIRT1蛋白泛素化降解


综上所述,徐勇教授团队的研究揭示了肠道菌群代谢产物IPA在DKD中的关键作用,即色氨酸代谢产物IPA通过抑制SIRT1蛋白的泛素化降解,维持SIRT1的稳定表达,从而激活SIRT1/PGC-1α信号通路,保护线粒体结构和功能,最终改善DKD(图5)。这一研究不仅展示了IPA在保护肾脏功能中的潜在治疗价值,还为深入理解DKD的发病机制和开发新型治疗策略提供了新的视角和理论依据。

图5. 肠道代谢产物吲哚丙酸改善糖尿病肾病的作用机制示意图


西南医科大学附属医院徐勇教授、龙洋教授和澳门科技大学罗婉君教授为本论文通讯作者,西南医科大学附属医院博士生曾艳、郭曼和伍棋为本论文共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金、四川省科技计划项目等课题资助。





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(来源:《国际糖尿病》编辑部)


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