大肠杆菌外膜蛋白可激活消化功能？

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线虫消化系统研究体系的建立

首先，作者建立了一个食物消化研究系统，腐生葡萄球菌（Staphylococcus saprophyticus,SS）是不能被线虫消化的。但是，给线虫饲喂热杀死的大肠杆菌（HK-E. coli）却可以激活其消化SS而促进发育（如图1所示）。

图1 同步化的L1 WT在不同的食物饲喂下，于20℃培养96 h生长情况

可激活消化的大肠杆菌外膜蛋白的发现

在图1的基础上，作者提出了一个疑问：是HK-E. coli中的哪些分子激活线虫消化SS的呢？他们对HK-E. coli进行了超声处理，收集上清液和颗粒，分别将这些成分添加到SS细菌中，发现只有HK-E. coli颗粒能够激活线虫来消化SS。随后，作者利用不同的酶（DNase、RNase和蛋白酶K [pk]）分别处理HK-E. coli并同时添加SS饲喂线虫（如图2所示），实验结果表明：这些有效成分是细菌的蛋白质。由于细菌颗粒中含有许多不溶性蛋白，他们通过将提取的大肠杆菌膜蛋白添加到SS中来测试大肠杆菌膜蛋白是否能激活机体消化SS。当同时给线虫饲喂SS、蛋白酶处理的HK-E. coli和大肠杆菌膜蛋白时，发现线虫的发育延迟表型受到了抑制（如图3所示）。通过更进一步的实验，作者找到了激活线虫消化SS的外膜蛋白（OMPs）为：OmpA和OmpF。

图2  3种酶处理HK-E. coli后饲喂线虫的生长情况

图3 利用蛋白酶K处理HK-E. coli，添加大肠杆菌膜蛋白前后的生长情况

激活消化的信号通路的探索

接着，作者采用RNA-seq方法比较两对喂食不同食物后基因表达情况，两种方案有42个基因是同时上调表达的（如图4所示），根据WormExp的预测，这42个基因中的14个是PMK-1/p38先天免疫通路的靶标。随后，他们尝试抑制PMK-1通路上的基因，研究是否可以激活线虫对食物的消化，一系列的数据表明：PMK-1的激活与抑制线虫SS食物的消化有很强的相关性，提示HK-E. coli的OMPs（OmpA/F）可能通过抑制PMK-1激活宿主消化功能，先天免疫通路在消化系统中具有意想不到的功能（如图5所示）。

图4   A：两种饲喂方案比较线虫基因表达情况 

D：两种饲喂方案各有430、849个基因上调表达

图5   E: PMK-1信号通路对食物消化的调节  

F：在L1同步化后96h，SS喂养的线虫的发育进展

神经元与先天免疫途径的关系

动物通过产生适应性行为以对食物的摄入做出反应，这些适应性行为是由血清素、酪胺、章鱼胺、多巴胺以及神经肽等递质调节的。然而，肠－脑信号在食物消化中的作用尚不清楚。那么，一旦食物被线虫识别出来，神经元信号是否也参与了消化过程？

作者经过实验证实：线虫神经肽NLP-12（哺乳动物胆囊收缩素的同源物）与胆囊收缩素样受体1（CKR-1）结合，可以调节食物消化。同时，多巴胺信号通路也参与了大肠杆菌膜蛋白对食物消化的激活，并通过抑制PMK-1/p38 MAPK先天免疫通路来实现。

为了确定神经元DOP-4和NLP-12在食物消化过程中的关系，作者构建了NLP-12和DOP-4的双突变体。结果发现，双突变体中生长较慢的表型比单突变体表现的更严重（如图6所示），表明DOP-4和NLP-12通过抑制PMK-1在食物消化中具有功能冗余（如图7所示）。

图6  DOP-4和NLP-12单、双突变体喂食HK-E. coli+ SS 96h后的发育情况

图7  DOP-4和NLP-12通过抑制PMK-1激活消化

总而言之，该文章揭示了一个原理，即肠道大肠杆菌蛋白通过神经元－先天免疫途径激活动物的消化，这表明先天免疫是消化系统的一个“开关”。该研究也意味着先天免疫调节或补充微生物来源的特定膜蛋白可能是未来治疗消化疾病或其他肠道综合征的一种方法。