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【金秋计划】芦荟大黄素改善结肠炎的直接靶点及相关机制

城头变幻大王骑

2024/09/12

中药/天然药检测

黏膜愈合是炎症性肠病（IBD）患者长期缓解和降低手术风险的重要预后指标，未愈合的黏膜会诱发持续性炎症。肠上皮细胞群的适当分化在损伤后黏膜再生中起着重要作用。表达SOX9的标记保留细胞（LRC）已被确定为通过补充LGR5肠道干细胞（ISC）促进上皮修复。另一方面，LRC也被认为是肠内分泌细胞（EEC）的前体细胞，可加剧IBD中的黏膜损伤。因此，干预 LRC-EEC分化轴理论上有利于IBD的黏膜愈合。
大黄是多年生草本植物，自公元前三千年以来在中国一直被用作泻药。大黄的主要化学成分包括蒽醌、蒽酮、蒽烯等。前期作者使用硫酸葡聚糖钠盐（DSS）诱导的IBD模型筛选大黄中的主要成分，发现芦荟大黄素显著缓解结肠炎。芦荟大黄素（1,8-二羟基-3-羟甲基蒽醌）是天然蒽醌衍生物之一，据报道具有抗肿瘤、抗病毒、抗炎、抗菌和保肝药理作用，但其在缓解结肠炎上的具体作用机制与直接靶点尚不清楚。
2024年5月31日，复旦大学药学院沈晓燕、陈道峰团队在ASPB（IF=14.4）发表题为“Aloe emodin promotes mucosal healing by modifying the differentiation fate of enteroendocrine cells via regulating cellular free fatty acid sensitivity”的文章，发现芦荟大黄素可直接拮抗游离脂肪酸受体1（FFAR1）的激活，并阻断AKT介导的FOXO1磷酸化和FOXO1的核输出。然后，FOXO1的核输入相对增加导致SOX9高表达，从而抑制LRC向EEC的过度分化，并保留了更多的SOX9 LRCs，促进结肠炎的黏膜愈合和上皮重建。

1、筛选大黄中的活性化合物治疗小鼠结肠炎
根据大黄中检测到的成分含量，作者选择五种游离蒽醌类（emodin、aloe emodin、chrysophanol、rhein和physcione）、四种二苯乙烯类化合物（piceatannol、rhapontigenin、desoxyrhapontigenin、rhaponticin），以及sennoside A（大黄中最有效的泻药），采用DSS诱导的结肠炎开展基于药效的筛选，发现芦荟大黄素等部分化合物可有效抑制结肠炎小鼠体重减轻，缓解结肠缩短，抑制促炎细胞因子表达，特别是在芦荟大黄素组中观察到炎症细胞因子最显著的减少。作者结合体重、结肠长度和炎性细胞因子表达，选择了芦荟大黄素进行进一步研究。

2、芦荟大黄素改善小鼠结肠炎模型的炎症反应
多剂量组口服芦荟大黄素的药效学实验表明，在小鼠模型中DSS诱导的结肠炎发作后，芦荟大黄素治疗促进体重恢复，缓解结肠缩短，改善肠道屏障完整性，缓解炎症细胞浸润和隐窝结构丧失。此外，芦荟大黄素改善血清和组织中促炎细胞因子水平的升高。这些结果表明芦荟大黄素对DSS模型具有剂量依赖性治疗效果，且芦荟大黄素优于5-氨基水杨酸（5-ASA）。此外，作者还评估了芦荟大黄素在TNBS诱导的结肠炎模型中的药效学，同样发现芦荟大黄素在TNSB模型中也表现剂量依赖性缓解。

3、芦荟大黄素干扰前体细胞向早期EEC的分化
作者取芦荟大黄素处理组和对照组的肠道组织开展RNA-seq检测，GSEA分析显示与芦荟大黄素组相比，对照组的胰腺分泌、内分泌和其他因子调节的钙重吸收和胰岛素分泌基因集富集，表明芦荟大黄素在体内下调肠道分泌细胞相关功能。对选定损伤区域的免疫荧光染色发现芦荟大黄素对EECs（CHGA）数量有显著抑制，而对吸收细胞（CAII）、杯状细胞（MUC2）和簇（COX1）细胞数量没有影响，支持GSEA分析的发现。通过检测EEC转录调节因子在不同阶段的表达，发现芦荟大黄素可能从早期就抑制EEC成熟。此外，CHGA染色和结肠类器官的5-HT水平表明芦荟大黄素抑制了上皮细胞谱系向肠内分泌细胞的分化。此外，芦荟大黄素在所有时期都抑制了EECs标记物的表达。这些数据表明，芦荟大黄素会干扰前体细胞向早期EEC的分化。

4、SOX9介导的LRC分化阻滞是芦荟大黄素促进黏膜修复所必需的
为了明确芦荟大黄素如何影响上皮细胞分化，作者通过免疫磁珠分选获得小鼠纯化的结肠上皮细胞，测定ISCs分化出的不同上皮细胞的标记基因表达，发现Sox9表达在结肠炎中显著降低，并通过芦荟大黄素治疗得以挽救，而且芦荟大黄素还上调了分选上皮细胞中的SOX9蛋白水平，下调了CHGA蛋白水平。免疫荧光染色显示芦荟大黄素上调损伤区域SOX9细胞的数量，且SOX9细胞数量与CHGA细胞数量均呈显著负相关。高SOX9表达是LRC的特征之一，隐窝纵切片的SOX9染色表明，芦荟大黄素增加了SOX9细胞群。使用激光捕获显微切割分离富含SOX9细胞的区域表明，与SOX9-区域相比，SOX9+区域的转录谱接近 LRC。这些数据表明由芦荟大黄素引起的增加的SOX9细胞是LRC。来自培养的小鼠结肠类器官的数据也表明，芦荟大黄素上调了SOX9 LRC的数量和Sox9的表达。作者还分析了活动性克罗恩病患者的转录组谱发现与非发炎区域相比，发炎区域活检样本中的SOX9 表达显著降低， NEUROG3表达显著增加，临床样本染色还显示，随着炎症的增加，克罗恩病患者结肠隐窝中的SOX9 LRCs显著减少，而NEUROG3 EECs显著增加。先前的单细胞测序数据结果显示，发炎区域的EEC数量高于健康对照组和非发炎区域，而发炎区域的LRC数量低于非发炎区域。此外，SOX9在非发炎区域的EEC中的表达显著高于发炎区域。这些数据表明炎症中SOX9表达水平下调可能会导致LRC向EEC过度分化的趋势。作者采用TNF-α处理类器官以模拟结肠炎症并观察类器官的凋亡，发现芦荟大黄素显著抑制TNF-α诱导的类器官凋亡。此外，芦荟大黄素部分逆转了TNF-α诱导的Sox9表达降低和Neurog3表达增加，而所有芦荟大黄素诱导的作用都被SOX9-CRISPR敲除和JQ-1（作为表观遗传抑制剂可下调SOX9转录）阻断。这些数据证实SOX9介导的LRC分化阻滞是芦荟大黄素促进黏膜修复所必需的。

5、FOXO1 是芦荟大黄素上调 SOX9 表达的关键转录因子
作者进一步检测了芦荟大黄素诱导的SOX9表达上调的可能信号通路。使用RcisTarget包鉴定了芦荟大黄素和载体处理的小鼠结肠之间DEGs中富集的转录因子（TF）结合基序，结合JASPAR TFBS和ReMap ChIP-seq数据库进一步鉴定了可能与 SOX9 基因启动子上游 2000 bp序列结合的TF，结合三种分析的预测，芦荟大黄素可能调节21个TF，最终上调 SOX9 表达，进一步发现，在CD环境中，有6个TFs与SOX9表达显著相关，结合备选的TF可能导致SOX9的上调和NEUROG3的下调，确定FOXO1 是最有可能通过芦荟大黄素调节导致SOX9上调的 TF。FOXO1抑制剂（AS1842856）阻断芦荟大黄素对SOX9和NEUROG3表达的调节证明了这一点。使用Jaspar数据库预测表明FOXO1可以与SOX9上游的多个序列结合，DNA pulldown和CHIP-qPCR实验均表明FOXO1能够与FOXO1上游的预测序列结合，并可以通过芦荟大黄素增强。总的来说，FOXO1确定为芦荟大黄素上调 SOX9 表达的关键转录因子。

6、芦荟大黄素抑制 FOXO1 磷酸化促进其核易位
FOXO1活性与其表达丰度、翻译后修饰（主要包括磷酸化和乙酰化）、核细胞质穿梭和亚细胞定位有关。作者通过蛋白质印迹和免疫荧光染色显示芦荟大黄素上调了FOXO1的核易位，然而，芦荟大黄素不影响FOXO1的蛋白质和mRNA丰度。进一步的结果表明，蛋白磷酸酶抑制剂而不是组蛋白脱乙酰酶抑制剂或sirtuin抑制剂阻断了芦荟大黄素对SOX9表达的上调，这表明芦荟大黄素通过影响磷酸化修饰而不是乙酰化来上调SOX9表达。AKT、ERK1/2和CK1α诱导 FOXO1 的磷酸化和核输出。作者发现芦荟大黄素通过影响AKT活性上调SOX9表达。AKT 在三个不同的位点（Thr24、Ser256、Ser319）上直接磷酸化 FOXO1，导致其通过核输出进行转录失活，作者发现芦荟大黄素剂量依赖性地降低AKT诱导的FOXO1磷酸化（Ser256）。AKT 磷酸化的FOXO1与14-3-3伴侣蛋白结合，阻断FOXO1的核易位信号，免疫荧光图像和免疫共沉淀显示芦荟大黄素削弱了FOXO1和14-3-3σ的相互作用。此外，FOXO1-CRISPR ko Caco-2细胞上FOXO1标志的过表达挽救了芦荟大黄素诱导的SOX9高表达。总之，数据表明芦荟大黄素降低了AKT诱导的FOXO1磷酸化，并促进了FOXO1进入细胞核以上调SOX9转录。

7、芦荟大黄素靶向FFAR1抑制Gβγ/AKT/p-FOXO1通路
根据SuperPred网站结果，结合SYBYL-X软件对接评分（>5.0），作者获得了5个高可能性的芦荟大黄素靶点。相关性分析表明只有游离脂肪酸受体1（FFAR1）与SOX9/NEUROG3平衡显著相关。分子对接显示芦荟大黄素被包埋在二聚体之间的残基VAL1094、ASP1092、ARG1095和THR1155周围的口袋中。DARTS和CETSA结果一致地表明芦荟大黄素与FFAR1的结合。亚油酸是FFAR的内源性配体，这可以解释为什么芦荟大黄素会导致KEGG富集的亚油酸途径改变。作者使用了亚油酸和TAK-875（FFAR1的选择性激动剂）确认芦荟大黄素对FFAR1的影响，RT-qPCR和Western blot数据显示亚油酸和TAK-875对SOX9/NEUROG3表达水平和磷酸化（Ser256）以及FOXO1的核易位具有与芦荟大黄素相反的作用。体内实验同样表明，TAK-875消除了芦荟大黄素对结肠炎的缓解作用，并逆转了芦荟大黄素对上皮细胞进行分选时Sox9/Neurog3的调节。此外，TAK875阻断芦荟大黄素诱导的p-AKT（Thr308）下调，表明FFAR1通过p-AKT（Thr308）转导信号至FOXO1。据报道，Gα偶联受体激活后释放的Gβγ亚基直接与PI3K相互作用以激活 PI3Kγ/p-AKT（Thr308）信号通路，作者发现FFAR1驱动的SOX9/NEUROG3轴主要由Gβγ调控。总之，FFAR1是芦荟大黄素的靶标，并且激活的FFAR1通过Gβ2γ3/AKT/p-FOXO1信号通路下调SOX9表达，该通路可被芦荟大黄素阻断。
总结
该研究发现来自传统药用植物大黄的活性成分—芦荟大黄素可直接拮抗游离脂肪酸受体1（FFAR1）的激活，并阻断AKT介导的FOXO1磷酸化和FOXO1的核输出，导致SOX9高表达，从而抑制LRC向EEC的过度分化，并保留了更多的SOX9 LRCs，从而促进黏膜愈合，促进上皮重建。

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