治疗糖尿病，你的肠道微生物同意了吗
糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病，主要有两种类型：一型糖尿病和二型糖尿病。一型糖尿病患病人数占糖尿病患病总数的5%左右，患者由于胰岛β细胞被破坏，无法释放充足水平的胰岛素调控血糖；二型糖尿病人数约占患病总数的90%以上，大部分患者胰腺内有充足（还可能过多）的胰岛素却无法运送到需要的部位，无法被身体利用；朋友们一定会好奇：剩下不到5%是什么类型呢？当然是假性糖尿病，比如妊娠糖尿病等，特定时期内血糖异常，过后可能恢复正常。
食与心往期介绍过：肠道黏膜屏障破损时，肠道微生物激活相应T细胞即可引发针对胰岛β细胞的自免疫攻击，从而引起一型糖尿病。肠漏引发一型糖尿病
食与心也介绍过：二型糖尿病与肠道微生物密不可分，不良饮食（如高脂饮食、高糖饮食和高甜味剂饮食等）引起的菌群改变可直接引起糖耐量异常（好食物VS好感觉食物（一）；好食物 VS 好感觉食物（三））。中国从1980年到2010年糖尿病发病率增长了17倍也与近几十年来中国人的饮食改变密切相关。
那么肠道微生物是如何影响人体胰岛素发挥作用的呢？科学家发现，肠道微生物信号不仅能诱发针对胰岛β细胞的破坏[1]，也能促进胰岛β细胞增殖[2]，还能刺激迷走神经促进胰岛素分泌[3]。胰岛素的加工、分泌、运输和识别均受肠道微生物信号调控。本期食与心重点介绍中国科学家在这一领域重大发现[4]。
文章名：Intestinal lysozyme liberates Nod1 ligands from microbes to direct insulin trafficking inpancreatic beta cells
杂志：Cell Research（影响因子15.393）
作者单位：中国科学院生物物理所、中国第三军医大学、中国科学院大学、中国科学院医学科学院、协和医科大学、中国科学院分子细胞学卓越中心、上海生物化学与细胞生物学研究所、浙江大学、中山大学、中国科学院生物大分子卓越中心
作者：Qin Zhang, YingPan, Benhua Zeng, Xiaojiao Zheng, Haifang Wang, Xueying Shen, Hui Li, QianJiang, Jiaxu Zhao, Zhuo-Xian Meng, Pingping Li, Zhengjun Chen, Hong Wei9 andZhihua Liu
研究背景：胰岛素是人体维持葡萄糖稳态的关键激素，由胰岛β细胞合成。传统观点认为：胰岛β细胞整合人体代谢、激素和神经等信息来决定胰岛素分泌。但有研究提示：胰岛β细胞还需要整合共生微生物信号。Nod1是识别微生物肽聚糖类信号的关键受体，在多种细胞包括β细胞中都有表达，Rip2是 Nod1下游的关键衔接蛋白，Rab1a是Nod1和Rip2的下游信号。
研究设计：一系列细致缜密的动物实验层层深入，逐步确认假设，配合相应细胞实验和体外实验。
研究对象：小鼠和细胞
研究流程非常复杂，工作量巨大，涉及大量动物实验、细胞实验、分子实验、微生物实验等等，具体可参阅原文，本文中不做详细介绍。
研究结果：
1. 肠道微生物存在与否决定β细胞内的胰岛素能否从合成部位运送到其他部位（从细胞核周边往外运送）
①SPF小鼠β细胞内，胰岛素和胰岛素原隔离分布：含有胰岛素的成熟致密核心囊泡/DCVs平均分布在细胞质中，而含有胰岛素原的未成熟致密核心囊泡/DCVs则分布在细胞核周边。
②没有肠道菌群的无菌/GF小鼠β细胞内，胰岛素和胰岛素原均分布在细胞核周边，胰岛素原含量未变而胰岛素原含量减少。通过粪便菌群移植获得肠道菌群可恢复β细胞内胰岛素和胰岛素原的区域化隔离分布。
③缺乏肠道微生物的抗生素处理小鼠β细胞内，胰岛素和胰岛素原均分布在细胞核周边。
④Rip2是胰岛β细胞内胰岛素分布调控的必需受体：无Rip2基因的Rip2−/−小鼠胰岛素和胰岛素原均分布在细胞核周边；β细胞Rip2基因无法表达的Rip2beta-cko小鼠胰岛素和胰岛素原均分布在细胞核周边，虽然胰岛素基因表达未减少，但胰腺内胰岛素含量明显降低。
2. 肠道细菌来源的Nod1配体调控β细胞内胰岛素转运
①无Nod1基因的Nod1−/−小鼠β细胞内，胰岛素和胰岛素原均分布在细胞核周边；β细胞内Nod1无法表达的Nod1beta-cko小鼠，胰岛素和胰岛素原均分布在细胞核周边，且胰岛素含量降低。
②补充Nod1配体，如iE-DAP和Tri-DAP（溶菌酶消化肽聚糖/PGN产生的片段）能恢复胰岛素和胰岛素原的隔离分布，并增加胰岛素含量。
③单一定植能产生DAP型肽聚糖片段的肠道细菌，如植物乳杆菌，也能恢复胰岛素和胰岛素原的隔离分布。
3. 细菌来源的Nod1配体促进Nod1和Rip2易位到致密核心囊泡上，调控胰岛素转运
①体内实验：Nod1和Rip2主要位于β细胞内的致密核心囊泡/DCVs上。
②体内实验：DAP型肽聚糖配体结合Nod1促进Nod1和Rip2易位到DCVs上。
③体外细胞实验：iE-DAP可增加INS-1细胞（一种大鼠胰岛素瘤细胞）内胰岛素囊泡上的Nod1数量。
④体外细胞实验：iE-DAP可明显增加INS-1 832/13细胞分泌的胰岛素量，但不影响胰岛素基因转录，胰岛素mRNA含量不变。
4. Nod1和Rip2促使Rab1a聚集到胰岛素囊泡上调控胰岛素转运
①野生型小鼠中，Rab1a广泛分布在胰岛素囊泡中，而在Nod1−/−和Rip2−/−小鼠中则无这种现象，但三种小鼠β细胞内Rab1a的表达量相同。
②无菌/GF小鼠和SPF小鼠β细胞内Rab1a表达量相同，但与SPF小鼠相比，GF小鼠中位于胰岛素DCVs上的Rab1a明显更少。
③补充iE-DAP可恢复GF小鼠β细胞胰岛素DCVs上的Rab1a含量。
④体外细胞实验：敲除Rab1a基因后，INS-1细胞内胰岛素聚集在细胞核周边。
5. 溶菌酶1分解肽聚糖产生的DAP型肽聚糖片段调节β细胞内的胰岛素转运
（DAP型肽聚糖片段是Nod1配体，主要由肠道潘氏细胞释放的溶菌酶1/Lyz1分解细菌肽聚糖产生，进入循环后可运送到身体各个部位，比如胰岛。）
①敲除基因的Lyz1−/−小鼠，体内Lyz2基因表达不变，但潘氏细胞内没有溶菌酶。
②与SPF小鼠相比，无菌小鼠血清内Nod1配体和Nod2配体活性明显更低。
③与野生型小鼠相比，Lyz1−/−小鼠体内Nod1配体和Nod2配体活性明显更低，与无菌小鼠情况相似。
④灌胃补充iE-DAP恢复了无菌小鼠血清中的Nod1配体活性。
⑤ Lyz1缺乏并不影响胰岛内Nod1、Rip2和Rab1a的表达，但Lyz1−/−小鼠胰岛β细胞内胰岛素隔离分布现象消失，胰岛素和胰岛素原均集中在细胞核周边；用溶菌酶或iE-DAP灌胃可恢复β细胞的胰岛素分布模式。
⑥与无菌小鼠、Rip2beta-cko小鼠和Nod1beta-cko相似，Lyz1−/−小鼠胰腺内胰岛素含量明显降低。
⑦与野生型小鼠同笼饲养，并不能使Lyz1−/−小鼠恢复胰岛素含量和胰岛素分布模式。
⑧无菌条件下，野生型小鼠和Lyz1−/−小鼠胰岛素均集中在细胞核周边，单一定植植物乳杆菌能恢复野生型小鼠的胰岛素分布但不能恢复Lyz1−/−小鼠的胰岛素分布。
6. （溶菌酶分解肽聚糖产生的）Nod1配体促使Nod1易位到β细胞致密核心囊泡/DCVs上并调控胰岛素囊泡的分布
①尽管胰腺内Nod1含量不变，但与野生型小鼠相比，Lyz1−/−小鼠β细胞DCVs上的Nod1明显减少。
②与Nod1变化相似，Lyz1−/−小鼠β细胞DCVs上的Rip2和Rab1a也明显减少。
③口服iE-DAP能恢复β细胞DCVs上的Nod1、Rip2和Rab1a含量。
④体外细胞实验：野生型小鼠β细胞内Rab1a呈离散分布，而Lyz1−/−小鼠β细胞内Rab1a集中在细胞核周边，IE-DAP处理可使Lyz1−/−小鼠初级β细胞内Rab1a的呈离散分布。
⑤体外实验：与野生型胰岛相比，Nod1−/−胰岛胰岛素分泌能力受损，Lyz1−/−胰岛胰岛素分泌能力同样明显降低，iEDAP处理能恢复Lyz1−/−胰岛胰岛素分泌。
7. Nod1/Rip2控制胰岛素转运调节葡萄糖耐受性
① Nod1−/−小鼠常规血糖正常，但胰腺内的胰岛素总量明显小于野生型小鼠，注射葡萄糖后循环胰岛素水平也明显低于野生型小鼠。
②体外实验显示，Nod1−/−胰岛胰岛素分泌能力小于野生型胰岛。总体上，Nod1−/−小鼠常规血糖正常，但胰岛素分泌能力降低，胰岛素敏感性稍有提高。
③β细胞Nod1基因无法表达的Nod1beta-cko小鼠禁食状态下血糖水平与对照组相当，但高糖刺激时血糖水平明显高于对照组；β细胞Rip2基因无法表达的Rip2beta-cko小鼠表现出相似的葡糖糖耐受性损伤。
④同笼饲养重建菌群并不能恢复Nod1beta-cko小鼠和Rip2beta-cko小鼠的葡萄糖耐受能力。
⑤高脂饮食情况下，Nod1beta-cko小鼠的体重增长与对照组小鼠相近，但葡萄糖耐受损伤比对照组更加严重。高脂饮食并没有改变两组的胰岛素敏感性，但高糖刺激下，Nod1beta-cko小鼠胰岛素分泌明显少于对照组；禁食状态下，血糖水平明显高于对照组。
研究结论：胰岛β细胞内的胰岛素在细胞核周边合成后，需要往外运动到外围细胞质直至细胞膜附近，然后才能从β细胞分泌出去。胰岛素在β细胞内的转运离不开肠道细菌。肠道潘氏细胞分泌的溶菌酶1可将细菌肽聚糖分解为肽聚糖小片段，这些肽聚糖片段可通过循环进入胰腺，并与β细胞内的Nod1结合，激活Nod1- Rip2-Rab1路径，使得Rab1聚集到胰岛素囊泡上，促使胰岛素从细胞核周边区域往外运送。
参考文献：
1 Sorini C, Cosorich I, Lo ConteM, et al. Loss of Gut Barrier Integrity Triggers Activation of Islet-Reactive TCells and Autoimmune Diabetes. Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America, 2019,
2 HillJ H, Franzosa E A, Huttenhower C, et al. A Conserved Bacterial Protein InducesPancreatic Beta Cell Expansion During Zebrafish Development. eLife, 2016,5:
3 PerryR J, Peng L, Barry N A, et al. Acetate Mediates a Microbiome-Brain-Beta-CellAxis to Promote Metabolic Syndrome. Nature, 2016, 534: 213-7.
4 ZhangQ, Pan Y, Zeng B, et al. Intestinal Lysozyme Liberates Nod1 Ligands fromMicrobes to Direct Insulin Trafficking in Pancreatic Beta Cells. Cell research,2019,