FSHW | 益生菌通过产乙酸介导肠道血清素合成：一项基于类器官的研究

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文章简介

神经递质5-羟色胺（5-HT）主要由肠道肠嗜铬细胞（EC）产生，其合成依赖于色氨酸羟化酶（TPH1）。研究表明，短双歧杆菌CCFM1025（Bifidobacterium breve CCFM1025）具有调节Tph1基因表达的潜力，能够维持应激小鼠体内的5-HT水平，但其具体机制尚不明确。本研究采用代谢组学技术评估了益生菌发酵产物，发现乙酸是Bb-CCFM1025调节肠道5-HT合成的关键成分。进一步的实验通过肠道类器官模型揭示了乙酸与Tph1转录之间的关联。通过转录组学方法和qRT-PCR验证，研究阐明了乙酸如何促进5-HT的合成与分泌。研究发现，乙酸通过调控EC细胞内的信号通路（PI3K-AKT、PLC-pERK和PLC-IP3-Ca2+）来促进5-HT的产生。这些发现揭示了特定益生菌作用的生化机制，为有针对性地筛选具有类似功能的益生菌提供了理论依据。本研究为基于生理功能选择具有相似功效的益生菌提供了理论支持。

全面理解益生菌衍生代谢物与肠道细胞之间的精确相互作用，对于未来有针对性地选择益生菌至关重要。然而，由于方法学的限制，探究益生菌与宿主之间直接相互作用机制仍然是一个巨大的挑战。在本研究中，我们尝试通过引入肠道类器官和剂量-反应分析模型来克服这些挑战，以确定参与益生菌与宿主相互作用的效应分子，旨在建立菌株代谢特性与其体内功能之间的关联。作为这一研究方法的具体示例，我们阐明了Bb-CCFM1025产生的乙酸与其促进宿主肠道Tph1基因表达以及5-HT合成和分泌之间的联系。此外，还揭示了一些可能与此过程相关的信号通路，包括PI3K-AKT、PLC-pERK和PLC-IP3-Ca2+，为后续研究者提供了参考。本研究获得的见解拓展了我们对益生菌调节肠道功能的分子机制的理解，为从大量菌株中更高效、更简捷地筛选功能菌株提供了指导。

图1 益生菌对肠道类器官中5-HT合成的影响

图2 乙酸对肠道类器官转录组的影响

通信作者

王刚，江南大学食品学院教授、博士生导师，中国科学院生物物理研究所生物化学与分子生物学专业博士学位，英国Quadram Institute Bioscience访问学者。主要从事食品微生物学、食品营养与健康等方面的教学及研究工作。研究方向集中在肠道微生物与健康、功能性益生菌资源发掘、益生菌功能机制解析及益生菌产品开发。

近年来主持国家自然科学基金项目3项、军委科技委基础加强项目1项、江苏省“科技副总”项目1项，在权威期刊上发表第一作者研究论文16篇、通讯作者论文60余篇，h-index 32；获授权发明专利50余件（国际发明专利10件），并与拜耳（中国）、诺维信、无限极、上海光明等国际、国内知名企业开展了紧密的研发合作关系。与拜耳（中国）合作开发的产品在世博会上受到广泛关注，目前已服务超10万中国消费者。作为主要完成人获2014年中国商业联合会全国商业科技进步奖一等奖、2015年第十七届中国专利金奖和2018年教育部高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖二等奖。入选2022年度无锡市百名科技之星。

Unveiling the role of acetate in probiotic-mediated promotion of intestinal serotonin production using intestinal organoids

Peijun Tiana,b, Zheng Wanga,b, Xin Qiana,b, Jianxin Zhaoa,b,c,d, Gang Wanga,b,c,d,*, Wei Chena,b,c

a State Key Laboratory of Food Science and Resources, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

b School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

c National Engineering Research Center for Functional Food, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

d Institute of Food Biotechnology (Yangzhou), Jiangnan University, Yangzhou 225004, China

*Corresponding author.

Abstract

The neurotransmitter 5-hydroxytryptamine (5-HT), primarily produced by intestinal enterochromaffin (EC) cells, relies on tryptophan hydroxylase 1 (TPH1) for synthesis. Research suggested Bifidobacterium breve CCFM1025’s potential in regulating Tph1 gene expression, maintaining 5-HT levels in stressed mice, but its precise mechanisms were unclear. This study used metabolomic techniques to assess probiotic fermentation products, revealing acetate as the crucial element in Bb-CCFM1025’s regulation of gut 5-HT synthesis. Further exploration correlated acetate with Tph1 transcription in intestinal organoids. Transcriptomic methods and quantitative reverse transcription polymerase chain reaction validation demonstrated how acetate facilitated 5-HT synthesis and secretion. It unveiled that acetate orchestrates signaling pathways (phosphoinositide 3-kinase-protein kinase B (PI3K-AKT), phospholipase C-phosphorylated extracellular signal-regulated kinase (PLC-pERK), and PLC-1,4,5-trisphosphate (IP3)-Ca2+) within EC, enabling 5-HT production. These findings elucidate the biochemical mechanisms behind specific probiotics’ effects, aiding in the targeted selection of similar beneficial strains. This study offers theoretical support for choosing probiotics with analogous functionalities based on their physiological impacts.

Reference:

TIAN P J, WANG Z, QIAN X, et al. Unveiling the role of acetate in probiotic-mediated promotion of intestinal serotonin production using intestinal organoids[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(8): 9250314. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250314.

本文编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片：摄图网

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