吸烟是人类最常见的不健康行为之一。世界卫生组织将吸烟列为全球可预防死亡的主要原因。戒烟是延长预期寿命的最有效方法，但由于尼古丁的成瘾性太大，且会出现戒断症状，戒烟对于大多数人来说并不容易实现。
最近，有研究发现尼古丁降解是阻断尼古丁诱发的病理的一种方法。非酒精性脂肪肝疾病（NAFLD）病理广泛，从简单的脂肪变性（定义为非酒精性脂肪肝）发展为非酒精性脂肪性肝炎（NASH），在某些情况下会发展为肝硬化和肝细胞癌[1]。
由于肠道产生的代谢物在通过肠——肝轴在NAFLD进展中具有关键作用[2]，因此建立肠道尼古丁积累、肠源性代谢物和 NAFLD 进展之间的关系可以为吸烟相关的肝脏疾病提供新的线索。
2022年10月20日，北京大学医学部基础医学院、北京大学第三医院医学创新研究院姜长涛团队，联合美国国立卫生研究院Frank Gonzalez团队、浙江大学医学院第一附属医院虞朝辉团队、复旦大学基础医学院李洋团队，以及温州医科大学附属第一医院郑明华团队，在Nature期刊上发表了题为 “Gut bacteria alleviate smoking-related NASH by degrading gut nicotine”的研究论文，发现在吸烟期间尼古丁在肠道中积聚并加速NAFLD的进展，但它可以被人类肠道共生菌B. xylanisolvens有效降解，这些发现解决了肠道尼古丁积累的病理影响，并确定了一种内源性尼古丁降解肠道细菌，对预防和治疗吸烟者的NASH具有潜在价值
研究内容
一、肠道细菌降解回肠尼古丁
此前研究报道尼古丁主要关注其对肺和脑等器官的影响，为了更加全面和准确地探究不同组织中尼古丁的分布和功能，研究人员运用代谢组学技术，对来自30名非吸烟者和30名吸烟者的回肠末端粘膜活检组织、血清和粪便样本中的尼古丁进行了精确测定，同时结合多种小鼠尼古丁暴露（烟雾、饮水和注射）模型，检测不同组织的尼古丁分布情况。令人惊奇的是，吸烟者的回肠粘膜组织、不同小鼠模型的回肠及其内容物中都具有高水平的尼古丁。以上研究表明，吸烟或者尼古丁暴露期间，肠道中会有大量的尼古丁累积。更重要的是，尼古丁暴露后，无菌（GF）小鼠回肠及其内容物中的尼古丁浓度高于SPF小鼠，提示肠道菌群具有降解肠道尼古丁的潜力。
二、尼古丁降解延迟NAFLD进展
那么，肠道菌群是否可直接降解尼古丁？其关键的降解菌、降解产物及代谢通路是什么？这些问题尚未解决。因此，研究人员对吸烟者粪便样本进行了宏基因组学分析，发现肠道共生菌B. xylanisolvens与肠道尼古丁水平相关性最显著。随后，研究人员通过体外及在体实验进一步验证了B. xylanisolvens对尼古丁的高效降解作用。同时结合一系列色谱、光谱技术，鉴定出尼古丁的代谢产物为4-羟基-1-(3-吡啶)-1-丁酮（HPB），其结构完全不同于宿主对尼古丁的代谢产物可替宁，是一种新型尼古丁代谢产物。随后，对B. xylanisolvens全基因组测序与功能基因分析，发现了其潜在的尼古丁降解酶NicX，体外酶活实验证实了NicX对尼古丁的降解及对HPB的生成作用。接下来，研究人员构建了nicX基因敲除的B. xylanisolvens菌株以及nicX基因异源表达的E. coli菌株，验证了NicX酶对尼古丁的降解作用。给予小鼠尼古丁处理，可以显著加重高脂高果糖高胆固醇饮食（HFHFrC）诱导的NAFL- NASH进展，而定植野生型和nicX敲除株的B. xylanisolvens后，发现可通过NicX依赖的方式缓解尼古丁促进的NASH进程。这一发现为靶向特定肠道菌群及其代谢酶治疗尼古丁相关NASH提供了新策略。
三、尼古丁激活肠道AMPKα1
为了进一步探索尼古丁激活肠道的分子机制，研究人员发现肠道中尼古丁积累显著激活肠上皮细胞AMPKα1信号，而不是AMPKα2。在小鼠模型中，肠上皮细胞特异性敲除AMPKα1可以明显改善尼古丁加重的NASH，提示肠AMPKα1在尼古丁加重NASH进程中具有关键作用。进一步，研究人员结合磷酸化蛋白质组学及脂质组学等手段，揭示尼古丁可以激活SMPD3的S208（人类为S209）位点的磷酸化，促进肠源神经酰胺分泌。机制研究证实，SMPD3是AMPKα1新的磷酸化底物。随后，研究人员通过修饰质谱确定S208位点的磷酸化可影响K103位点的泛素化修饰。通过构建针对S208（S209）位点和K103位点的突变蛋白和特异性抗体，确定了AMPKα1可以直接结合并磷酸化SMPD3的S208（S209）位点，从而抑制K103位点的泛素化，进而通过抑制SMPD3蛋白酶体降解途径，最终增加SMPD3活性。这一发现首次将AMPK信号与鞘脂神经酰胺代谢连接起来，揭示了AMPK新的重要功能。
为进一步验证肠SMPD3介导的神经酰胺合成在尼古丁诱导NASH中的作用，研究人员通过对肠上皮细胞AMPKα1特异性敲除小鼠回补神经酰胺，发现可以逆转肠AMPKα1特异性敲除引起的改善作用。而给予SMPD3的抑制剂GW4869处理之后，NASH表型显著缓解，证明了肠SMPD3-神经酰胺轴在治疗尼古丁诱导NASH中的潜在靶向价值。
四、B.xylanisolvens和临床NAFLD
最后，研究人员招募了83例经肝脏活检证实的NAFLD患者，包括41名吸烟者和42名非吸烟者，对其粪便样本进行了宏基因组、靶向代谢组学检测以及关联分析。结果显示吸烟者粪便中的尼古丁水平与NASH进程呈正相关，而B. xylanisolvens丰度、尼古丁菌源降解产物HPB则与NASH进程呈负相关。而在非吸烟者粪便中，B. xylanisolvens丰度与NASH严重程度之间则没有明显相关性。这些结果表明，B. xylanisolvens介导的尼古丁降解可以保护吸烟人群的肝脏损伤作用。
总结
本研究首次确定肠道尼古丁积累是吸烟者临床NAFLD进展的危险因素，同时也表明 B. xylanisolvens及其尼古丁降解活性，可以通过减少NAFLD的进展来表现出保护作用，而且阐明了尼古丁通过肠道—肝脏对话加重NASH的分子机制。这些发现表明了一种可能的途径，来减少吸烟加剧的NAFLD进展，为后续基础研究与临床治疗提供了新的靶点与方向。
图5
参考文献：
[1] Wang, J., He, W., Tsai, P. J., Chen, P. H., Ye, M., Guo, J., & Su, Z. (2020). Mutual interaction between endoplasmic reticulum and mitochondria in nonalcoholic fatty liver disease. Lipids in health and disease, 19(1), 72. https://doi.org/10.1186/s12944-020-01210-0
[2] Tripathi, A., Debelius, J., Brenner, D. A., Karin, M., Loomba, R., Schnabl, B., & Knight, R. (2018). The gut-liver axis and the intersection with the microbiome. Nature reviews. Gastroenterology & hepatology, 15(7), 397–411. https://doi.org/10.1038/s41575-018-0011-z
[3] Chen, B., Sun, L., Zeng, G., Shen, Z., Wang, K., Yin, L., Xu, F., Wang, P., Ding, Y., Nie, Q., Wu, Q., Zhang, Z., Xia, J., Lin, J., Luo, Y., Cai, J., Krausz, K. W., Zheng, R., Xue, Y., Zheng, M. H., … Jiang, C. (2022). Gut bacteria alleviate smoking-related NASH by degrading gut nicotine. Nature, 610(7932), 562–568. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05299-4
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