肠道共生菌调控2型糖尿病胰岛β细胞功能分化重塑的机制研究

Irreversible declining β cell function is the key pathogenesis of Type 2 diabetes （T2D）. It has been well accepted that the dedifferentiation and transdifferentiation of pancreatic endocrine cells are major mechanisms contributing to functional β cell loss in T2D. On the other hand, exploring potential approach to reverse β cell dedifferentiation or to coax differentiation from other cell lineages to β cell have allured plenty of academic and economic interests. Thus, understanding the underlying mechanism of changing β cell fate or its plasticity is key to achieve above goals. The rapid development of high throughput next generation sequencing, have flourished the advances in genetics, epigenetics and metagenomics. The recent studies on single cell RNAseq, CHIPseq and ATACseq enable us to map the epigenome, cistrome and landscape of chromatin accessibility with the epigenetics codes of DNA methylation and histone posttranslational modifications (PTM) of key pancreas transcription factors which determine the fate of pancreatic islet cells. The progress of metagenomics studies on the correlation between gut microbiome and T2D urge studies to confirm the causality. The study to investigate the impact of gut microbiota on type 2 diabetes is also lacking. It has been recently proved that gut microbiome plays a indispensable role to maintain the histone PTM of host cells via its co-metabolites with host, such as short fatty acids and bile acids. Thus, we propose that the gut microbiota could impact the plasticity of β cell via altering histone or other proteins PTM of key pancreatic transcription factors by its secondary metabolites, bile acids in particular. We will perform the study on the chain of bacterial-metabolite-host interaction to elucidate the causality correlations between gut microbiota and T2D as well as the underlying mechanisms.

宏基因组研究提示肠道共生菌群与2型糖尿病存在相关性，但缺乏因果关系验证。尚无研究报道肠道共生菌可不依赖于周围组织直接作用于胰岛β细胞。胰岛细胞功能的不可逆受损是2型糖尿病的核心病理生理机制。β细胞退分化或向α/δ细胞的转分化是胰岛功能障碍的主要机制之一，如能逆转该过程，或诱导其他细胞分化为成熟β细胞，将有望实现2型糖尿病临床治愈。改变组蛋白乙酰化酶及去乙酰化酶可重塑β细胞分化状态。次级胆汁酸和短链脂肪酸作为肠道共生菌主要代谢产物介导其对肠道上皮及免疫细胞组蛋白修饰的调控，继而影响细胞分化及功能。本课题前期研究证明共生菌胆汁酸组分促进降糖药物疗效，与β细胞功能相关。因此，我们假设肠道共生菌可通过次级代谢物胆汁酸、短链脂肪酸，调控组蛋白修饰，从表观基因组层面重塑β细胞分化状态。课题将从菌-代谢物-宿主胰岛细胞三个层面设计研究，阐明菌-代谢物-胰岛轴的分子调控通路，找到2型糖尿病治疗新靶点。

宏基因组研究提示肠道共生菌群与2型糖尿病存在相关性，但缺乏因果关系验证。尚无研究报道肠道共生菌可不依赖于周围组织直接作用于胰岛β细胞。胰岛细胞功能的不可逆受损是2型糖尿病的核心病理生理机制。β细胞退分化或向α/δ细胞的转分化是胰岛功能障碍的主要机制之一，如能逆转该过程，或诱导其他细胞分化为成熟β细胞，将有望实现2型糖尿病临床治愈。本课题前期研究证明共生菌胆汁酸组分促进降糖药物疗效，与β细胞功能相关。因此，我们假设肠道共生菌可通过菌群次级代谢物 从细胞内信号转导到表观基因组层面重塑β细胞分化状态。课题将从菌-代谢物-宿主胰岛细胞三个层面设计研究，阐明菌-代谢物-胰岛轴的分子调控通路，找到2型糖尿病治疗新靶点。 基于假设，课题从人群，动物及细胞/细菌三个层面开展研究。 首先在人群中进一步验证，胆汁酸信号是介导中药小檗碱通过菌群发挥降糖降脂作用得关键细胞内信号，并找到了几株人体内分离的受小檗碱影响的肠道内的共生菌，不仅在体内建立了其参与胆汁酸池组分，血糖和餐后血糖的作用，并在体外验证了相关调节作用，并初步揭示了分子机制。 在动物层面，我们利用Fxr敲除的小鼠验证了临床研究内容，证实，阿卡波糖的菌群调节作用确是依赖胆汁酸受体后信号而发挥作用。同时我们也指出，由于无菌小鼠存在胆汁酸池的异常，因此无法利用该小鼠模型包括抗生素处理模型来直接验证，阿卡波糖依赖菌群的作用。并且我们发现由于去缺失Fxr 胰岛细胞的增殖出现下降，导致其应对高代谢压力下的代偿性增殖受到抑制。这一变化会使得HFD小鼠的高胰岛素血症得以减轻，胰岛素抵抗减轻，血糖下降，同时使其β细胞储存得以保护，而获得血糖控制。 我们发现无论是肠道共生菌还是小鼠的胰岛β细胞，长链不饱和脂肪酸活化酶，均与脂质代谢密切相关。有利于长链脂肪酸的摄取和进一步代谢。首次发现在双歧杆菌中， FAD 主要作用是摄取和利用长链脂肪酸 与宿主争夺脂质营养，降低宿主餐后血脂。而在β细胞中，该蛋白可能参与了β细胞退分化所伴随的代谢重塑，推动细胞以脂肪酸β氧化功能为主，促进氧化应激。且这个过程与相应组蛋白乙酰化有关，最终促使胰腺β细胞转录因子的染色质可及性下降，而与β细胞退分化相关的 Foxo1 基因及下游信号系统表达开放，最终通过代谢重塑导致高代谢压力下β细胞退分化。提出菌群-胆汁酸-LCFFA-β细胞轴调节宿主糖脂代谢稳态。