2021年11月，德國基爾大學等單位的相關研究人員在《Cell Metabolism》（IF: 27.3）上發(fā)表了題為“Microbial regulation of hexokinase 2 links mitochondrial metabolism and cell death in colitis”的研究論文，揭示了己糖激酶2及其微生物調節(jié)對腸道穩(wěn)態(tài)的控制作用及相關機制。
亮點概述：
上皮己糖激酶2（HK2）缺失可預防急性腸道炎癥
HK2 的消融抑制細胞死亡和線粒體功能失調
微生物組通過靶向組蛋白脫乙酰酶 8（ HDAC8） 的短鏈脂肪酸（SCFA）調節(jié) HK2 表達
丁酸鹽通過下調 HK2 來改善腸道炎癥
己糖激酶 (HK) 催化糖酵解的第一步，從而限制了這一基本生物過程的速度。HK2可以被各種環(huán)境因素和信號通路上調，例如在炎癥和炎癥性腸病 (IBD) 期間。除了其代謝功能外，HK2 還充當細菌細胞壁成分的受體，并被認為可以對抗線粒體介導的細胞死亡。HK 的化學抑制會損害免疫細胞活化并促進免疫細胞中單核球增多性李斯特菌的感染，而高血糖和高糖酵解通量與腸上皮細胞腸道感染的風險增加有關。在腸道中，HK2 主要由腸上皮細胞 (IECs) 表達。
為了確定上皮 HK2 在腸道炎癥中的作用，研究人員生成了在 IEC 中特異性缺乏 HK2的小鼠（HK2△IEC小鼠）。發(fā)現(xiàn)當HK2△IEC小鼠及野生型（WT）同窩仔鼠受到葡聚糖硫酸鈉 (DSS)處理導致腸道炎癥時，與 WT鼠相比，HK2△IEC小鼠的體重減輕明顯更少。疾病活動指數(shù) (DAI)是一種衡量腸道炎癥的指標，包括體重減輕、糞便稠度和糞便血液發(fā)生率，其證實了HK2△IEC小鼠的病程有所改善。此外，通過 ELISA 測量，HK2△IEC小鼠顯示出較低的促炎細胞因子KC/CXCL1 血清水平。H&E 染色的結腸切片的組織學評估表明，HK2△IEC小鼠的分數(shù)降低，包括透壁炎癥、隱窩增生、上皮損傷以及多形核和單核細胞浸潤。在 WT 小鼠中，HK2 水平在結腸炎過程中增加。
研究人員接著通過評估來自患者粘膜活檢的表達數(shù)據(jù)來研究 HK2 表達是否在患有腸道炎癥的患者中失調，發(fā)現(xiàn)在兒童 IBD 中，與健康對照相比，IBD 患者活檢中的 HK2 顯著上調。兒童克羅恩病 (CD) 、潰瘍性結腸炎 (UC) 、IBD 和非 IBD 結腸炎 (NIC)、原發(fā)性硬化性膽管炎 (PSC) 的患者均顯示 HK2 表達上調，表明 HK2 與 IBD 相關疾病之間可能存在相關性。
為了闡明HK2△IEC小鼠免受腸道炎癥的分子機制，研究人員在不同炎癥期從WT和HK2△IEC小鼠中分離出IEC，并進行RNA測序。差異表達基因的基因本體論（GO）分析顯示，HK2△IEC小鼠中參與細胞死亡信號和線粒體膜通透性調節(jié)的基因下調。此外，HK2△IEC小鼠在炎癥期間相較于WT小鼠的細胞死亡減少。
腸道上皮中 HK2 的缺失可預防結腸炎
為了進一步探究涉及 HK2 依賴性炎癥保護的分子過程，研究人員生成了來自HK2△IEC和 WT 小鼠的腸道類器官，腫瘤壞死因子 (TNF) 刺激后，HK2 水平增高。與WT 類器官相比，源自HK2△IEC小鼠的類器官表現(xiàn)出較低水平的裂解Caspase3 和多聚ADP核糖聚合酶1（PARP1），這是線粒體相關類型細胞死亡的標志物。研究人員還使用 CRISPR Cas9 系統(tǒng)生成了一個缺乏 HK2 的 Caco-2 細胞克隆（Caco-2△HK2）。細胞外酸化率 (ECAR)的測量表明 HK2 的消融不影響糖酵解功能。基礎耗氧率 (OCR)測定發(fā)現(xiàn)，與 Caco-2WT 細胞相比，Caco-2△HK2 細胞的基礎線粒體呼吸以及最大線粒體呼吸都顯著降低，表明 Caco-2△HK2 細胞中線粒體電子傳遞鏈（ETC）受損。研究人員在篩選參與調節(jié)線粒體膜通透性的差異表達基因的轉錄組數(shù)據(jù)時，觀察到 Ppif（肽基-脯氨酰順反異構酶）的 mRNA 水平下調，該酶編碼 HK2△IEC小鼠在結腸炎第 7 天的 IEC 中線粒體通透性轉換孔（MPTP）的主要成分。PPIF 協(xié)調線粒體通透性和代謝并已被建議直接與 HK2 相互作用以抑制細胞死亡。在用 TNF 和 IL17A以及 IFN-b 刺激 Caco-2△HK2 和 Caco-2WT 細胞以誘導炎癥反應和細胞死亡時，Ppif 表達在兩種條件下都被下調，這驗證體內發(fā)現(xiàn)和轉錄組數(shù)據(jù)。從機制上講，HK2 依賴性腸道炎癥保護可能是由較低水平的 PPIF 和隨后 MPTP 開放和線粒體膜通透性的降低所介導的。
HK2缺失導致線粒體功能失調
失調的宿主-微生物群相互作用是腸道炎癥的關鍵因素。通過比較從無菌 (GF) 和常規(guī)培養(yǎng) (CR) C57BL6/J 小鼠中分離的腸上皮細胞部分的轉錄組，研究人員發(fā)現(xiàn)微生物群強烈調節(jié)HK2的表達和活性。微生物代謝物丁酸鹽可能通過 HK2 和 PPIF 介導的線粒體功能和細胞死亡變化來防止炎癥。丁酸鹽的膳食補充劑在小鼠體內也能起到下調 HK2 水平的作用，并改善了結腸炎結果，但不能保護 Hk2△IEC 小鼠免受結腸炎的侵害。此外，丁酸鹽處理可降低Caco-2WT小鼠的線粒體呼吸，但在Caco-2△HK2細胞中不起作用。
研究人員最后探究了丁酸鹽抑制HK2表達的相關機制。丁酸鹽直接作用于組蛋白脫乙酰酶 (HDAC)，其作為表觀遺傳調節(jié)劑發(fā)揮作用，從而可能影響 HK2 表達。研究人員在使用泛 HDAC 抑制劑或類特異性抑制劑后，發(fā)現(xiàn)阻斷所有 HDAC 或僅 I 類 HDAC（HDAC 1、2、3 和 8 一起）消除了丁酸鹽對 HK2 表達的抑制。研究人員隨后通過使用單一 HDAC 酶特異性抑制劑研究了單個 I 類 HDAC 的作用，發(fā)現(xiàn)僅有HDAC8 抑制劑消除了丁酸鹽對 HK2 的轉錄抑制，表明了HDAC8（I 類 HDAC）在介導 HK2 的丁酸鹽依賴性調節(jié)中的特定作用。
HDAC8 介導丁酸鹽對 Hk2 表達的抑制
綜上所述，該研究揭示了一個由腸道上皮HK2和微生物代謝物丁酸鹽組成的新型調節(jié)回路。HK2敲除可通過抑制與線粒體功能改變相關的細胞死亡來預防結腸炎，這可能是由于MPTP的PPIF依賴性開放所致。此外，該研究確定腸道微生物群及其代謝物丁酸鹽是HK2的有效調節(jié)劑，飲食中補充丁酸鹽的保護作用取決于HK2的功能存在。未來可能通過靶向HK2來指導更特異的治療選擇的發(fā)展。
