随着现代社会经济的高速发展及人们生活方式的转变，非酒精性脂肪肝（Nonalcoholic fatty liver, NAFL）已成为威胁人类健康的重大代谢性疾病。如不加以干预和治疗，NAFL会进一步进展为非酒精性脂肪肝炎（nonalcoholic steatohepatitis, NASH），继而诱发不可逆的肝硬化甚至肝癌。然而，目前我们对影响NASH的因素、病理机制均不甚清楚，导致目前仍没有获得批准的治疗NASH药物【1】。
烟草使用是导致全球可预防性疾病和死亡的最主要因素【2】。据报道，全球吸烟者人数一直保持在11亿以上，比例高达15%。近年来我国控烟效果明显，但直接吸烟人数仍超过3亿，被动吸烟人数难以计数。多项临床研究表明吸烟与NASH进展密切相关【3,4】，但其分子机制尚不清楚缺乏有效的干预策略。
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杂志在线发表了题为 Gut bacteria alleviate smoking-related NASH by degrading gut nicotine 的研究论文，首次揭示了吸烟期间尼古丁在肠道中累积，激活肠上皮AMPKα-SMPD3-神经酰胺轴，通过肠—肝对话促进NASH的关键机制。更为重要的是，研究人员首次发现了人类肠道菌群可以有效地降解肠道尼古丁，揭示了对肠道尼古丁具有高效降解作用的肠道共生菌—解木聚糖拟杆菌（Bacteroides xylanisolvens），并鉴定了新型尼古丁代谢酶NicX及其代谢产物。B. xylanisolvens通过NicX降解肠道尼古丁，有效缓解吸烟加重的NASH进展。
长期以来，姜长涛教授团队一直致力于代谢性疾病的发病机制与转化医学研究，重点聚焦器官间对话。团队前期发现临床一线降糖药二甲双胍通过肠道脆弱拟杆菌—胆汁酸GUDCA—肠FXR代谢轴有效预防与治疗代谢性疾病的新机制（Nat Med., 2018）；揭示了肠道菌群代谢产物胆汁酸GDCA与TUDCA调控天然免疫系统的关键成员—3型天然淋巴细胞（ILC3）的功能稳态，进而改善多囊卵巢综合征的新机理（Nat Med., 2019）；发现了宿主基因—肠道菌群—宿主代谢交互调控的新范式，阐明了宿主肠缺氧诱导因子2α（HIF-2α）通过乳酸诱导肠道普通拟杆菌与扭链瘤胃球菌比例失衡，扰乱胆汁酸稳态，从而抑制脂肪产热的新机制（Cell Metab., 2021）。基于以上发现，姜长涛教授团队提出了“代谢性疾病肠治”的新理论，揭示肠道菌群代谢物胆汁酸和神经酰胺是介导器官间对话的关键介质，阐明扭链瘤胃球菌、肠FXR、TGR5、IL-22、HIF-2α等多个代谢性疾病干预的新靶标。在对NASH发病机制的研究过程中，姜长涛教授团队敏锐察觉到，吸烟作为与NASH发病密切相关的致病因素，可能存在通过器官间对话发挥作用的未知致病机制。理解吸烟影响NASH的互作器官、关键介质、分子机制及潜在调控方式，对于加深理解吸烟危害、开发相应靶向干预措施具有重要意义。
既往有关尼古丁的大量研究主要关注于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、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。实验结果令人惊奇的发现，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。
肠道菌群是否可直接降解尼古丁？其关键降解菌、降解产物及代谢通路是什么？这些问题此前尚未有研究报道。在发现肠道菌群对尼古丁具备潜在的降解能力后，研究人员对吸烟者粪便样本进行了宏基因组学分析，发现B. xylanisolvens是与肠道尼古丁水平相关性最显著的肠道共生菌。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，并结合一系列色谱、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。通过对B. xylanisolvens全基因组测序与功能基因分析，研究人员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。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。小鼠给予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B. xylanisolvens（野生型和nicX敲除株）后，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。
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神经酰胺代谢酶鞘磷脂磷酸二酯酶3（SMPD3）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（S209）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，验证了肠SMPD3-神经酰胺轴在治疗尼古丁诱导NASH中的潜在靶向价值。
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。
吸烟与NASH是危害人类健康的重大问题，本研究首次将吸烟过程中的尼古丁肠道累积引入视野，阐明了尼古丁通过肠道—肝脏对话加重NASH的分子机制。更为重要的是，研究人员揭示了肠道共生菌在尼古丁诱导NASH中的关键保护作用，为后续基础研究与临床治疗提供了新的靶点与方向。
姜长涛教授、Frank Gonzalez研究员、虞朝辉教授、李洋研究员、郑明华教授为本文的共同通讯作者。北京大学医学部基础医学院博士后陈博、美国国立卫生研究院博士后孙露露、北京大学医学部基础医学院博士研究生曾广易、浙江大学医学院第一附属医院沈哲教授、北京大学医学部基础医学院博士后汪锴、复旦大学基础医学院博士研究生尹利敏为本文的共同第一作者。
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https://doi.org/10.1038/s41586-022-05299-4
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