Cell：肠嗜铬细胞介导肠脑轴对话的机制丨BioArt国科大论坛

BioArt按：6月24日，BioArt推出“国科大论坛”专栏，旨在鼓励中国科学院大学（UCAS）生命学院的优秀本科生接触学术最前沿，激发他们对生命科学某些领域深层次的理解，同时也锻炼他们对科学报道的写作能力。该论坛的推出，得益于中科院生物物理所苗龙研究员的大力支持。苗老师本学期在中国科学院大学给本科生（2014级，国科大第一届本科生）讲授《发育生物学》课程的同时，给学生布置了相关“作业”并鼓励他们积极投稿BioArt发表。今日BioArt推出第二篇系列文章，这篇文章解读的是近日来自UCSF的科学家发表在Cell杂志上题为“Enterochromaffin Cells Are Gut Chemosensors that Couple to Sensory Neural Pathways”的研究论文，该项研究揭示了位于肠道上皮的肠嗜铬细胞，可以作为直接感知来自体内和体外多种刺激的化学感受器，并且可以与传入神经元建立突触连接从而进行信息传递。

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撰文丨贺琦翔（中国科学院大学2014级本科生）

导读： 有的人吃了辣椒芥末等刺激性食物会肚子痛，有的人精神高度紧张时毫无饥饿感，研究认为肠道上皮和神经系统之间的信息传递参与上述现象，但人们对于肠上皮与神经系统信息传递的精确机制仍知之甚少。6月22日，来自加州大学洛杉矶分校的David Julius教授与Holly A. Ingraham教授的研究团队合作在Cell 杂志在线发表了题为“Enterochromaffin Cells Are Gut Chemosensors that Couple to Sensory Neural Pathway”的研究论文，该项研究揭示了位于肠道上皮的肠嗜铬细胞，可以作为直接感知来自体内和体外多种刺激的化学感受器，并且可以与传入神经元建立突触连接从而进行信息传递。

背景介绍：

肠道上皮作为人体与外界接触面积最大的表面之一，在整合环境信息与人体免疫、神经和血管系统中起着重要作用【1】。其能够感受来自饮食刺激物、肠道菌群副产物和炎症因子等刺激，引发一系列包括肠胃运动、代谢和疼痛等下游信号通路【2】。

肠嗜铬细胞（Enterochromaffin cells, EC）是一种罕见的肠上皮内分泌细胞，因具嗜铬性得名。仅占肠上皮1%不到的肠嗜铬细胞，分泌了超过人体90%的血清素（又名5-羟色胺），而5-羟色胺作为人体一种重要的神经递质，几乎影响到大脑活动的每个方面：从调节情绪、精力、记忆力到塑造人生观。之前有研究表明肠嗜铬细胞参与调节肠胃运动、收缩和疼痛【3】，可是限于肠嗜铬细胞的体积小和数量少，科研人员很难在体内研究它们。因此调控肠嗜铬细胞分泌血清素以及将刺激信息传递给神经系统的精确分子机制至今尚不明朗。

Julius教授的研究团队利用类器官培养的方法，在体外重现肠道的复杂环境。研究发现：肠嗜铬细胞具有表达多种电压门控离子通道因此具有可兴奋性；同时细胞上有多种受体，分别接受来自饮食、菌群代谢物和儿茶酚胺（多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素）的刺激；受体的激活触发依赖电压门控Ca2+通道的血清素释放，血清素通过突触类的连接方式，激活带有血清素受体的初级传入神经元，将信息传递给神经系统。

论文解读：

研究人员首先提出的科学问题是肠嗜铬细胞是否具有感受体细胞的标志——表达电压门控离子通道，从而使细胞具有电兴奋性。通过对取自小鼠肠道类器官的肠嗜铬细胞的电生理学实验和mRNA表达谱分析，研究人员发现肠嗜铬细胞表达多种电压门控离子通道并且具有电兴奋性（下图）。

图一 （A）荧光蛋白标记的小鼠肠道类器官中的肠嗜铬细胞；（B）对标记的肠嗜铬细胞进行膜片钳电生理实验

接下来研究人员提出的第二个科学问题是既然肠嗜铬细胞具有电兴奋性，那么都有什么物质可以刺激细胞兴奋？通过对30种已经证实存在于肠道内潜在的刺激物的筛选，研究人员发现了三类明显刺激肠嗜铬细胞兴奋的物质：（1）异硫氰酸烯丙酯（Allyl isothiocyanate, AITC）,一种存在于芥末和其它芥菜中的刺激剂；（2）异戊酸（Isovalerate）,肠道菌群代谢产生的一种挥发性酸；（3）儿茶酚胺类激素（Catecholamine），肠道受伤或者受刺激时会分泌量会增加，起调节作用的一类激素。

随之而来的科学问题就是这三类刺激物又是通过什么信号通路刺激细胞兴奋：是三类刺激物拥有同一个信号通路？还是通过各自的信号通路使细胞兴奋呢？研究人员对肠嗜铬细胞进行进一步的转录本分析以及一系列的电生理实验，发现肠嗜铬细胞分别表达不同刺激物的受体来直接感知刺激：（1）TRPA1离子通道（transient receptor potential A1）作为感知来自饮食刺激物的AITC的感受器；（2）Olfr558（olfactory receptor 558）作为感知来自微生物代谢产物异戊酸的感受器；（3）α2A adrendoreceptor（Adrα2A）—TRPC4通道信号级联通路作为感知来自儿茶酚胺类激素的感受器。

肠嗜铬细胞接受刺激后会通过释放血清素引发下游事件，那么触发肠嗜铬细胞释放血清素的机制是什么呢？此前研究肠嗜铬细胞释放血清素的经典方法是使用完整组织或者模型内分泌细胞系【4】，限于肠嗜铬细胞数量极少，故无法准确研究血清素释放的分子机制。值得一提的是，研究人员创新性地借助用荧光标记的小鼠肠道类器官，在单细胞水平同时检测肠嗜铬细胞与相邻的传感器细胞的电生理指标（如下图），突破了之前的技术限制，发现血清素的释放依赖于肠嗜铬细胞的电压门控钙离子通道的激活。

图二  （A）5-HT“生物感受器”实验：绿色荧光蛋白标记肠嗜铬细胞，红色荧光蛋白标记表达5-羟色胺受体的HEK293 细胞；（B）电生理实验：在单细胞水平同时检测肠嗜铬细胞Ca2+反应与感受器细胞电流变化示意图

有了上述研究背景，研究人员提出另一个重要的科学问题，肠嗜铬细胞释放的血清素引发下游事件，其机制是通过弥散的体液传播方式还是通过点对点的突触连接传播机制呢？研究人员通过对带有荧光蛋白标记的小鼠肠道组织样品分析，发现了很多肠嗜铬细胞与表达有5-羟色胺受体的神经元空间位置相邻。进一步实验发现肠嗜铬细胞表达有突触前标记蛋白，而邻近的传入神经元表达有突触后标记蛋白，从而证实肠嗜铬细胞与神经元以突触连接传递信息，将肠道内的信息传递给大脑（下图）。

图三   肠上皮切片中：肠嗜铬细胞表达突触前蛋白标志物（蓝色荧光的突触蛋白）；相邻细胞表达有突触后蛋白标志物（红色荧光的PSD-95）；以及突触结构的三维重构图

总的来说，这篇文章第一次揭示了肠嗜铬细胞可以作为多调式化学传感器，直接感受肠道来自体内外刺激并解释其分子机制。同时发现肠嗜铬细胞与神经元通过突触连接方式，直接与大脑传递信息（如下图）。这项研究成果增加了对肠——脑轴的精密调控机制的了解，也为如肠应激综合征等诸多肠胃功能失调疾病治疗提供了一些指导。这项研究成果随之带来一些科学问题，比如，由于小鼠与人在进化上的差异和生活环境的不同，肠嗜铬细胞的生理学状态和遗传学特征具有物种特异性，不同物种的肠嗜铬细胞生理和病理学差异性尚不明朗。此外，同一个体内弥散分布的肠嗜铬细胞由于微环境的不同对其可塑性的影响，在同一个肠嗜铬细胞内部感知不同刺激的信号通路之间的交流都需要更多的探究。

 图四  肠嗜铬细胞介导肠——脑轴信息传递的模式图

参考文献：

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. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 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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