《PLOS Biology》：Microbial tryptophan metabolism activates host lysosomal activity to facilitate lipid breakdown
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本文通过秀丽隐杆线虫模型和哺乳动物肝细胞研究，揭示了肠道细菌色氨酸代谢产物——吲哚——通过激活宿主溶酶体功能，进而驱动脂质分解代谢的进化保守性机制。该研究阐明了“微生物-宿主”代谢对话中，细菌来源的小分子代谢物对宿主细胞器功能和脂质稳态的精准调控，为靶向溶酶体功能治疗溶酶体功能障碍相关代谢疾病（如非酒精性脂肪肝病）提供了新的理论依据和潜在治疗靶点。
Establishment of a lysosomal-responsive lipid reporter system to screen bacterial metabolic state changes regulating lipid metabolism
溶酶体是脂质代谢的核心细胞器。在秀丽隐杆线虫中，溶酶体酸性脂肪酶LIPL-4的组成型激活可驱动脂质分子伴侣LBP-8等信号分子核转位，从而转录激活代谢基因，促进脂肪动员。研究表明，lbp-8的表达水平与脂质积累呈负相关。为探究细菌代谢状态是否影响宿主lbp-8>表达及脂质代谢，研究人员构建了溶酶体响应性脂质报告系统Plbp-8::GFP。研究发现，在营养丰富的LB培养基平板上培养的线虫，其lbp-8在转录和翻译水平均被显著诱导，LBP-8的核转位增强，同时油红O染色显示脂质储存减少。这表明LB培养条件引发的细菌代谢变化能够触发宿主的LBP-8表达并促进脂质分解。
E. colitryptophan metabolism induces lbp-8expression and subsequent lipid breakdown
为鉴定调控lbp-8激活和脂质动员的细菌代谢因子，研究人员利用E. coli单基因敲除库进行了全基因组筛选。在LB培养基条件下，19个E. coli突变体显著降低了lbp-8的表达。基因本体分析显示“代谢过程”类别包含最多基因，表明细菌代谢活性是影响lbp-8表达的主要因素。值得注意的是，tnaA是其中唯一直接参与色氨酸代谢的基因。TnaA是一种色氨酸酶，催化色氨酸转化为吲哚、丙酮酸和铵。缺失tnaA的E. coli突变体在LB培养基上显著抑制了lbp-8的表达，并导致线虫体内总脂质水平升高，证实了E. coli依赖TnaA的代谢促进了lbp-8表达和随后的脂质分解。
Indole, a bacterial tryptophan metabolite, regulates LBP-8 levels and lipid storage
为了验证是色氨酸代谢在起作用，研究人员在标准NGM平板上补充色氨酸。结果显示，色氨酸补充能强烈诱导lbp-8表达和LBP-8核转位，并降低脂质水平。然而，当线虫以tnaA突变体为食时，色氨酸的补充无法诱导lbp-8表达，脂质水平也未降低。此外，lbp-8突变体线虫即使补充色氨酸，其脂质水平仍然较高。这些结果表明细菌色氨酸代谢通过LBP-8依赖途径促进脂质分解。进一步分析TnaA催化产生的下游代谢物（吲哚、丙酮酸、铵）发现，只有吲哚的补充能特异性且显著地诱导lbp-8表达和LBP-8核转位，并减少脂质储存，从而将吲哚鉴定为调节宿主LBP-8水平和脂质储存的特异性细菌色氨酸次级代谢物。
E. colitryptophan metabolism activates lysosomal function
为阐明细菌色氨酸代谢调控宿主脂质代谢的分子机制，研究人员进行了RNA测序分析。KEGG通路分析显示，溶酶体是对细菌色氨酸代谢物响应的关键通路，多种溶酶体相关基因被显著诱导，其中包括负责将甘油三酯分解为游离脂肪酸的关键脂肪酶。这表明细菌色氨酸代谢可能通过调节溶酶体功能来介导线虫的脂质代谢。通过评估溶酶体形态、酸化和降解能力，研究证实细菌色氨酸代谢能增强溶酶体功能。具体表现为：在色氨酸存在下，喂食K12菌的线虫能保持更“年轻”的溶酶体囊泡形态；使用pH敏感报告蛋白NUC-1::pHTomato和LysoSensor Green检测，发现溶酶体酸化增强；通过检测NUC-1::CHERRY的切割和MagicRed染色，证实溶酶体降解活性提高。重要的是，色氨酸代谢物吲哚的补充同样能增强表皮和肠道溶酶体的酸化及其降解活性。
E. colitryptophan metabolism drives lysosomal-dependent lipid degradation
为验证细菌色氨酸代谢是否通过增强溶酶体活性来降低宿主脂质含量，研究人员遗传干扰了溶酶体功能。敲低溶酶体Ca2+通道编码基因cup-5或溶酶体脂肪酶编码基因lipl-4，均能消除色氨酸诱导的脂质含量降低，并抑制lbp-8的上调。此外，敲低参与溶酶体内腔内囊泡形成和脂质降解的磷脂酶D同源基因F09G2.8或pld-1，也能部分逆转色氨酸对lbp-8的激活和脂质含量的降低。这些发现表明，细菌色氨酸代谢促进线虫脂质降解依赖于功能完整的溶酶体。
E. colitryptophan metabolism enhances mitochondrial β-oxidation through lysosomal activation to promote lipid metabolism
基因本体富集分析显示，细菌色氨酸代谢显著诱导了涉及线粒体代谢的“单加氧酶活性”和“氧化还原酶活性”相关基因。在脂质分解代谢中，溶酶体脂肪酶将储存的甘油三酯水解为游离脂肪酸，随后通过线粒体和过氧化物酶体β-氧化生成ATP。RNA测序数据显示，参与脂肪酸β-氧化的关键基因在色氨酸处理的动物中上调。使用Pacs-2::acs-2::GFP报告基因直接评估，证实细菌色氨酸代谢特异性诱导了acs-2。线粒体活性氧探针MitoTracker Red CMXRos和氧化应激报告基因Psod-3::GFP、Pgst-4::GFP的检测均表明β-氧化活性增强。更重要的是，acs-2敲除完全消除了色氨酸介导的脂质减少。此外，在色氨酸补充条件下，敲低溶酶体基因cup-5或lbp-8可降低线粒体活性氧水平和氧化应激报告基因表达。这些结果揭示了细菌色氨酸代谢通过溶酶体-LBP-8-线粒体信号轴，上调线粒体β-氧化，从而促进脂质代谢。
E. colitryptophan metabolites enhance lysosomal function and promote lipid breakdown in hepatocyte cell line
为探究细菌色氨酸代谢激活溶酶体功能以促进脂肪分解的机制是否保守，研究在哺乳动物肝细胞系中进行了验证。用补充色氨酸的E. coliK12培养上清处理Huh7细胞，可显著增加溶酶体酸度（LysoSensor Green染色）和降解活性（Magic Red染色及组织蛋白酶D成熟体水平），而这些效应可被溶酶体V-ATP酶抑制剂Bafilomycin A1 (BafA1)消除。在棕榈酸/油酸诱导的脂质积累原代小鼠肝细胞模型中，K12菌上清处理能显著减少脂质堆积，而tnaA突变菌上清则无此效果，且K12上清的降脂作用可被BafA1阻断，证明细菌色氨酸代谢介导的脂质减少需要功能性的溶酶体。
Indole-mediated lipid reduction requires lysosomal function in hepatocytes
为确定细菌色氨酸代谢物吲哚是否直接促进溶酶体功能和脂质减少，研究用吲哚处理肝细胞。结果显示，吲哚补充能显著增强溶酶体酸化和组织蛋白酶B活性，并减少原代肝细胞中的脂质积累，且这些效应均可被BafA1消除，证明吲哚介导的脂质减少需要功能性溶酶体。进一步的体内实验显示，口服吲哚8周的小鼠，其分离的原代肝细胞溶酶体酸度和降解活性均显著增强，肝脏中组织蛋白酶D的成熟水平也升高。这证实了细菌色氨酸代谢物吲哚在体内外均可激活肝脏溶酶体功能。
Discussion
该研究揭示，细菌色氨酸代谢物吲哚可激活溶酶体功能，从而促进线虫和哺乳动物肝细胞的脂质分解代谢。在线虫中，经由E. coli色氨酸酶TnaA产生的吲哚能增强溶酶体酸化和蛋白水解活性，进而诱导脂质分子伴侣LBP-8表达，刺激线粒体β-氧化，并减少脂质储存。这一调控机制在进化上是保守的。该发现与之前关于肠道菌群衍生的色氨酸代谢物（如吲哚和吲哚-3-乙酸）可防止饮食诱导的肝脂肪变性的报告相一致，强化了微生物色氨酸代谢在非酒精性脂肪肝病和代谢综合征中的功能意义。溶酶体在营养感知、自噬、衰老和组织再生等多种细胞过程中扮演着核心角色。研究发现吲哚能够激活溶酶体，提示该通路可能在脂质代谢以外的、由溶酶体功能调节的生理环境中发挥作用。
Limitations of the study
本研究存在一些局限性。首先，宿主感知细菌色氨酸代谢物以激活溶酶体通路的分子机制尚未解析。其次，虽然从吲哚喂养小鼠分离的原代肝细胞中推断出溶酶体激活，但技术限制阻碍了在肝组织中直接测量溶酶体酸化。开发用于小鼠模型体内溶酶体追踪的pH报告基因将弥补这一空白。第三，哺乳动物的研究结果是基于纯化的吲哚或细菌上清液。哺乳动物肠道中的细菌色氨酸代谢是否产生足够的吲哚以在体内产生类似效果，仍有待在使用定植了野生型或tnaA缺陷菌的无菌小鼠中进行测试。
