《Gut Microbes》：A 4-guanidinobutanoic acid-SLC36A1 axis drives a microbiota?host feedback loop to regulate intestinal homeostasis
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本研究发现，肠道共生菌Bacteroides stercorirosoris产生的代谢物4-胍基丁酸(4-GBA)通过上调其转运体SLC36A1，激活Hedgehog信号通路，进而增强肠道干细胞(ISCs)功能与杯状细胞分化，促进黏蛋白MUC2分泌。这为黏液降解菌Akkermansia muciniphila提供了生态位，形成“代谢物-宿主上皮-微生物”正反馈环路，最终增强黏膜屏障、缓解结肠炎。该轴为溃疡性结肠炎(UC)的诊断与治疗提供了新靶点。
3.1. 肠道共生菌源4-GBA促进结肠类器官中杯状细胞增多
为探究肠道微生物代谢物在黏膜屏障调节中的作用，研究者建立了小鼠结肠类器官与人体肠道共生菌培养上清（<3 kDa过滤）的共培养体系，评估其对杯状细胞分泌的关键黏蛋白MUC2表达的影响。从健康志愿者粪便样本中分离鉴定出297株细菌，筛选发现Bacteroides stercorirosoris的培养上清能最显著地上调MUC2蛋白表达。非靶向代谢组学分析揭示，与空白培养基及阴性对照菌B. intestinalis相比，B. stercorirosoris上清中“精氨酸和脯氨酸代谢”通路显著富集。该通路中的五种代谢物里，仅4-胍基丁酸(4-GBA)在0.8 mM浓度下能显著增强结肠类器官的MUC2表达和杯状细胞数量。临床样本分析显示4-GBA存在于人粪便和尿液中，而抗生素处理小鼠的粪便4-GBA水平显著降低，经人源粪菌移植(FMT)后可恢复，证实了肠道微生物是该代谢物的重要来源。
3.2. 4-GBA通过增强干细胞功能和屏障保护促进肠道稳态
在右旋葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的小鼠结肠炎模型中，口服4-GBA可显著降低疾病活动指数(DAI)评分，改善结肠缩短和组织病理损伤，增加杯状细胞数量和MUC2表达，下调促炎细胞因子(如Il-1β, Tnfα)并上调抗菌肽(如Reg3g)表达。流式细胞术分析显示4-GBA处理增加了结肠固有层中调节性T细胞(Treg)的比例。在Citrobacter rodentium感染模型中，4-GBA同样表现出保护作用。在基础状态下，4-GBA处理可增加小鼠结肠中的杯状细胞数量、MUC2和紧密连接蛋白OCCLUDIN的表达，并上调杯状细胞分化的关键转录因子Atoh1和Spdef。利用Lgr5-CreERT2; Rosa26LSL-tdTomato报告小鼠进行谱系追踪发现，4-GBA处理增加了肠道干细胞(ISCs)标记的tdTomato+隐窝比例以及每个隐窝中增殖细胞标记Ki67+的细胞数，表明4-GBA增强了ISC的活性与上皮再生。
3.3. 4-GBA以肠道菌群依赖的方式缓解结肠炎
16S rRNA基因测序分析显示，4-GBA处理改变了小鼠的肠道菌群构成，显著富集了Akkermansia属，尤其是Akkermansia muciniphila物种。在结肠炎期间也观察到类似变化。当使用广谱抗生素清除肠道菌群后，4-GBA对DSS结肠炎的保护作用完全消失。反之，将4-GBA处理小鼠的粪菌移植给受体小鼠，则可减轻受体小鼠的结肠炎严重程度。这些结果证明4-GBA的作用依赖于肠道菌群。
3.4. Akkermansia muciniphila介导4-GBA在结肠炎中的治疗作用
为验证A. muciniphila是否为关键介质，研究者使用苯扎氯铵选择性清除小鼠体内的A. muciniphila。清除后，4-GBA对DSS结肠炎的保护作用被完全消除。体外实验表明4-GBA并不直接刺激A. muciniphila生长，对人及小鼠粪便菌群的ex vivo培养也未见4-GBA对Akkermansia丰度的直接影响。由于A. muciniphila的定植依赖于黏液，而4-GBA能促进MUC2产生，研究者推测黏液上调介导了4-GBA对A. muciniphila的富集。利用肠上皮特异性Muc2敲除(Muc2ΔIEC)小鼠进行实验，发现4-GBA处理无法再增加该小鼠粪便中的A. muciniphila丰度，证实了黏液产生的必要性。
3.5. 4-GBA通过激活Hedgehog信号通路增强肠道干细胞功能
为排除菌群干扰，研究者在抗生素处理的小鼠中评估4-GBA的作用，发现其仍能上调ISC标志物(Lgr5, Ascl2)、杯状细胞标志物(Muc2, Tff3)及分化调控因子(Atoh1, Spdef)的表达。在结肠类器官中，4-GBA处理可直接提高类器官形成效率、出芽数量、ISC及杯状细胞相关基因表达，并增加Lgr5-Tomato+ISC的数量。对抗生素处理小鼠结肠隐窝的单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析显示，4-GBA处理显著上调了ISC簇中与ISC功能相关的基因，以及杯状细胞簇中的分化标志物。通路分析表明，在ISC簇中，cAMP、FoxO、Hedgehog和Wnt信号通路相关基因集富集。通过药理学抑制剂在类器官中进行功能验证，只有Hedgehog通路抑制剂环杷明(cyclopamine)能够完全阻断4-GBA引起的类器官形成效率、出芽、ISC/杯状细胞标志物表达的上调，以及Ki67和MUC2蛋白的增加。4-GBA处理能上调类器官中Hedgehog通路靶基因Ptch1和Gli1的转录，并促进Gli1蛋白的核转位。在体实验也证实4-GBA处理增加了结肠上皮细胞核内Gli1信号。这些结果证明4-GBA在肠上皮细胞内源性地激活了Hedgehog信号通路。
3.6. 4-GBA通过SLC36A1–Hedgehog轴调节肠道干细胞功能
4-GBA是质子耦合氨基酸转运体SLC36A1的已知底物。研究发现4-GBA处理能上调类器官和小鼠结肠组织中SLC36A1的表达。在类器官中使用慢病毒shRNA敲低SLC36A1，可完全消除4-GBA对类器官形成效率、出芽、ISC/杯状细胞标志物表达、Lgr5-Tomato+ISC数量以及Ki67和MUC2蛋白表达的促进作用。同时，SLC36A1敲低也阻断了4-GBA诱导的Ptch1和Gli1转录上调及Gli1核转位。在体实验中，使用SLC36A1抑制剂毛喉素(forskolin)共同处理，可拮抗4-GBA对ISC功能、杯状细胞分化、MUC2/OCCLUDIN表达以及Hedgehog通路激活的促进作用，并降低了粪便A. muciniphila的丰度。这些结果表明SLC36A1是4-GBA发挥功能所必需的。
3.7. SLC36A1上调介导肠道干细胞功能并赋予结肠炎抵抗性
在DSS结肠炎小鼠模型中，结肠组织的SLC36A1表达和Hedgehog信号活性显著降低。在溃疡性结肠炎(UC)患者结肠活检组织中也观察到SLC36A1表达和Gli1核信号的显著下降，且SLC36A1表达水平与疾病活动指标（血沉、C反应蛋白、Mayo内镜子评分）呈负相关，与Gli1信号呈正相关。对公共基因表达数据集的分析进一步证实，UC患者结肠组织及上皮细胞中SLC36A1和Hedgehog通路基因Ptch1的表达低于健康对照。功能上，在类器官中过表达SLC36A1可模拟4-GBA的作用，增强ISC表型、杯状细胞分化并激活Hedgehog通路。基于此，研究者筛选发现肌氨酸(sarcosine)是一种SLC36A1诱导剂。在类器官和正常小鼠中，肌氨酸处理可上调SLC36A1表达、增强ISC功能并激活Hedgehog信号。在DSS结肠炎模型中，预处理肌氨酸能显著减轻疾病严重程度、改善组织病理损伤、下调促炎因子表达。在无DSS处理的小鼠中，单次肌氨酸给药即可上调结肠ISC和杯状细胞标志物表达，并增加粪便A. muciniphila丰度。
4. 讨论
本研究揭示了一条新的微生物-宿主轴：肠道共生菌Bacteroides stercorirosoris来源的4-GBA，通过其转运体SLC36A1激活肠上皮细胞内的Hedgehog信号通路，从而增强肠道干细胞(ISCs)功能、驱动杯状细胞分化及黏液蛋白MUC2分泌。增加的黏液层为益生菌Akkermansia muciniphila提供了生态位，使其富集，由此形成一个“微生物代谢物-宿主上皮-微生物”的正反馈环路，共同强化肠道黏膜屏障、缓解结肠炎。研究发现SLC36A1在UC患者中表达降低且与疾病严重程度负相关，而SLC36A1诱导剂肌氨酸在动物模型中展现出治疗潜力。该工作不仅阐明了特定肠道菌代谢物通过宿主上皮受体调节微生物生态的新机制，也为溃疡性结肠炎(UC)的诊断和治疗提供了新的潜在生物标志物(SLC36A1)与治疗策略（靶向4-GBA/SLC36A1/Hedgehog轴）。
