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[转载]Science|慢性肾病与肠道菌群新机制

已有 286 次阅读 2020-9-23 11:24 |系统分类:论文交流| 慢性肾病, 肠道菌群, 吲哚, 饮食干预, 含硫氨基酸 |文章来源:转载

谷禾健康 

肾脏的主要功能是保持体内平衡,包括酸碱平衡,水平衡,血压调节和葡萄糖稳态在内的功能需要肾脏进行精确的协调和调节。 全球大约9%的人口正在遭受慢性肾脏疾病。近年来,研究表明,肠道菌群的变化(通常是各种细菌的相对比例的变化)与多种疾病和病症相关,包括肥胖,糖尿病,躁郁症和抑郁症,人们也越来越关注肠道菌群在调节肾脏疾病结局中的潜在作用。但是这些菌群和疾病研究中有许多是相关的,通常不清楚为什么会发生这些变化,或者是否是因果关系以及这些变化是否以某种方式促进了相关的表型?

近日,发在在《Science》上的一篇来自哈佛大学公共卫生学院和医学院的教授Wendy S. Garrett团队的关于慢性肾脏病与肠道菌群的研究(Diet posttranslationally modifies the mouse gut microbial proteome to modulate renal function)在这个范例上引入了全新的思路。文章指出饮食变化可以触发微生物蛋白的翻译后修饰,从而改变尿毒症毒素的形成,从而影响慢性肾脏疾病的进展。这些发现可能有助于慢性肾脏病的治疗,并为改善人类健康提供了针对微生物群及其蛋白质组酶活性的临床方法。

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缩略词:

Saa:含硫氨基酸

Ade:腺嘌呤

SPF:无特殊病原体

GF:无菌

SAF: 无菌小鼠肠道中接种ASF

研究背景:

尽管饮食调整是慢性肾脏病治疗的基石,但饮食与微生物群相互作用在慢性肾脏病发病机理和治疗中的机制作用尚未得到充分研究。 数十年来,改变患者饮食中蛋白质的摄入量一直是治疗慢性肾脏病的临床策略,更具体地说,是饮食中含硫氨基酸(Saa)的摄入量会影响患者和疾病模型的慢性肾脏病进展。尽管膳食氨基酸中有5%到10%到达了大多数肠道细菌代谢发生的结肠。 在人类中,膳食蛋白质的增加会增加肠道细菌产生硫化氢(H2S),吲哚和吲哚酚硫酸盐的产量。 吲哚和吲哚酚硫酸盐是尿毒症毒素,H2S具有多种生理功能,其中一些功能是由翻译后修饰S-硫酸化介导的。尿毒症毒素是肾功能受损时残留在血液中的化合物,尿毒症毒素的增加会导致多种疾病,包括内皮功能障碍。尽管已在哺乳动物系统中进行了大量研究,但仍未充分研究H2S在调节宿主内肠道细菌功能方面的生理作用。

实验方法:

⑴ 组织学观察:小鼠肾脏石蜡包埋切片观察,包括肾皮质和髓质的定向切片。

⑵ 血清肌酐测定,血清肌酸酐比色测定试剂盒(Cayman Chemical)测量肌酐水平。

⑶ H2S测定:ASF小鼠盲肠硫化物的检测,采用上述醋酸铅硫化物分析法进行分析。

⑷ 宿主肾基因表达分析:石蜡块中提取小鼠肾RNA,然后进行RT-PCR定量分析。

⑸ 慢性肾病患者粪便微生物组学公共数据集收集和Meta分析

⑹ 菌种培养和试验:E. coli K-12 BW25113菌株自己克隆培养,E. coli MG1655,

BW25113, W3110 和tnaA739::kan来自耶鲁大学大肠杆菌遗传储备中心(CGSC)。

⑺ 盲肠DNA提取及RT-qPCR分析:

⑻ 细菌16srRNA基因扩增子序列:盲肠内容物16s,V4可变区测序分析

⑼ 蛋白质实验:

硫水合蛋白质的降解

蛋白质印迹分析实验

蛋白质消化和标记实验

⑽ 质谱分析,吲哚和硫酸吲哚的LC-MS/MS分析

⑾用Kovac试剂比色法测定吲哚

⑿ 体外色氨酸酶测定

⒀大肠杆菌的基因插入与克隆

实验结论:

一,与高Saa + Ade(腺嘌呤)的小鼠相比,低Saa + Ade的饮食常规饲养,无特定病原(SPF)小鼠的血清肌酐水平显着升高,而且范围更广以及严重的肾皮质组织病理学改变,包括肾小管扩张和脱落,肾小管炎伴肾小管周围纤维化以及皮质晶体沉积。与低Saa + Ade饮食的SPF小鼠相比,GF小鼠的血清肌酐和肾脏损害明显减少,并且在高Saa + Ade饮食的GF和SPF小鼠中存在相似的表型。

二,微生物群可以缓冲某些宿主基因的表达,同时刺激其他宿主基因的表达。低Saa饮食会加剧观察到的慢性肾脏病表型,而肠道菌群的存在会进一步放大这些影响。

三,未观察到低Saa和高Saa饮食的SPF小鼠肠道微生物群成员的分类丰度存在任何显著差异,支持健康小鼠盲肠硫化物的差异可能是通过改变微生物功能而不是通过改变微生物功能来实现的微生物群落结构的变化。

四,在患有终末期肾脏疾病的慢性肾脏病患者的粪便样本中测得的7种大肠杆菌的总平均丰度显着增加。

五,在低Saa + Ade饮食下,定植于大肠杆菌(ASFE. coli)的ASF小鼠比ASF小鼠具有更高的血清肌酐和更广泛的肾小管炎,肾小管萎缩和脱落,肾小管周围纤维化和皮质晶体。在低Saa+Ade饮食中,ASF小鼠感染了大肠杆菌(ASFE. coli)比ASF小鼠血清肌酐更高,更广泛的小管炎,肾小管萎缩和脱落,肾小管周围纤维化和皮质结晶。

六,用定量串联质谱(TMT)和液相色谱-多阶段质谱(LC-MS3)分析表明大多数在大肠杆菌裂解物中富集的蛋白质确实是S-硫水合物洗脱的。

七,SPF和ASFE.coli中的血清肌酐水平结果支持大肠杆菌与饮食性Saa相互作用以调节肾脏功能。

八,SPF和ASFE.coli小鼠中盲肠H2S的观察结果显示需氧或厌氧生长的大肠杆菌以剂量依赖性方式从半胱氨酸产生硫化物,而对生长没有任何影响。

九,Western印迹分析法分析WT与DdecR大肠杆菌裂解物中的TnaA S-硫酸化反应验证了S-巯基水解结果,并发现DdecR裂解物中TnaA S-硫酸化反应降低。  用H2O2和NaHS处理的大肠杆菌裂解物分别显示出减少和增加的TnaA S硫酸盐化作用。

十,外从细菌细胞裂解物中检测到纯化的蛋白质和TnaA的TnaA S硫酸盐化反应,证明了这种修饰抑制了其活性。

十一, 发现采用高Saa饮食的小鼠的吲哚水平显着降低,这表明高饮食Saa不仅增加了TnaA S的硫酸化作用,而且这种修饰足以影响体内TnaA的活性。

研究总结:

研究发现,源自饮食Saa细菌代谢的硫化物通过抑制S-巯基化色氨酸酶来调节大肠杆菌的吲哚生产。表明饮食成分可以被微生物群代谢,从而产生微生物蛋白的翻译后修饰,从而影响宿主的生理,并为宿主-饮食-微生物群之间的相互作用如何促进或阻止诸如慢性肾脏病的疾病状态提供了框架。小鼠慢性肾脏病模型中,饮食的细微变化不会导致微生物成分的变化,这揭示了大肠杆菌产生的吲哚受到肠道细菌内源性产生的硫化物水平的差异性影响。表明细菌代谢不仅可能对宿主生理产生直接影响,而且还可能影响宿主饮食介导的细菌翻译后修饰驱动的微生物相互作用。

局限性:

研究观察表明,GF小鼠在腺嘌呤模型中表现出肾衰竭表型,尽管比SPF小鼠轻,但表明宿主因素以及氧化还原状态(例如,谷胱甘肽水平改变)在饮食Saa中也起作用调节肾功能。

 饮食中Saa和细菌TnaA吲哚生产对人慢性肾脏病肾衰竭的贡献值得进一步研究。 在小鼠慢性肾脏病模型中盲肠吲哚的2倍增加最终导致血清吲哚酚硫酸盐增加10倍,这是值得注意的。

研究意义和启示:

研究报道了一种饮食干预措施,该干预措施诱导了微生物酶的翻译后修饰(S-巯基化),导致尿毒症毒素产生的减少,这对肾脏疾病的小鼠模型具有保护作用。尽管这样的研究很困难,但这篇研究提供如何实现它们的示例蓝图。此外,这些研究暗示可以通过改变肠道微生物群和/或肠道微生物蛋白质组的酶活性的新策略来改变慢性肾脏疾病的进展。

   这些类型的方法不仅可以为慢性肾脏疾病带来好处,而且可以为与微生物群有关的许多其他疾病和状况带来好处。根据定义,这些类型的研究需要采取多学科的方法,因为不仅必须认识微生物生物学和翻译后修饰方式,还必须了解疾病的整个动物生理学和病理生理学。 因此,对于来自不同领域的科学家们来说,这是一个巨大的机会。通过汇集不同领域的知识和方法,可以增进对宿主-微生物组相互作用和疾病进展的了解,也许可以发现新的疾病治疗和预防方法。

主要图表:

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