来源：BioArt
撰文 | 雪月责编 | 兮人血清素或5-羟色胺（serotonin，5-hydroxytryptamine 5-HT）来源于脑干神经元和胃肠道的肠嗜铬细胞（enterochromaffin cell EC）。5-HT不能穿过血脑屏障。EC细胞分泌的5-HT占整个人体的95%，因此肠道是周围组织5-HT的主要来源。肠道来源的5-HT大部分会被血小板吸收，在特定刺激下会释放，从而促进血小板聚集、肠蠕动或者肠炎等。游离的5-HT会作为激素发挥作用，发挥抑制成骨细胞增殖等作用【1】。
尽管肠道来源的5-HT多效性对人体机能维持非常重要，但是EC细胞中5-HT的表达调控机制尚不清楚。
最新研究表明微生物群中孢子形成的细菌促进EC细胞5-HT的产生，并且鉴定出几种粪便代谢产物如脱氧胆酸盐、α-生育酚，酪胺等也可以诱导EC细胞5-HT合成【2】。
2020年7月7日，日本大阪大学的Kenta Maruyama 团队在Cell 上发表了题为RNA Sensing by Gut Piezo1 Is Essential for Systemic Serotonin Synthesis 的文章。本研究发现肠道排泄物中单链RNA是机械力门控离子通道Piezo1的配体，介导肠道5-羟色胺合成，并抑制骨质生成。
胃肠道中机械力感应机制对于正常的消化道蠕动至关重要。研究表明在脉管发育、血压调控、组织炎症（Nature亮点 | 机械压力可激活固有免疫反应）等过程中【3】，机械力门控离子通道Piezo1和Piezo2是机械力信号转导中的关键分子。最近有研究表明Piezo1和Piezo2在胃肠道上皮细胞中有表达。一项体外实验发现EC细胞中Piezo2通过调控细胞内钙流从而促进5-HT的释放。但是Piezo1在5-HT合成过程中的作用还不清楚。
于是该团队首先检测了Piezo1发现高表达于小鼠肺、脾脏、肠道和骨组织。利用原位杂交实验发现Piezo1主要定位于肠道上皮细胞的基底部，并且遍布整个肠道。作者构建了肠道上皮细胞特异性敲除的小鼠 (Villin-Piezo1flox/flox)，该小鼠并没有表现出明显异常，组织切片检测无肠道炎症出现。但是检测小鼠骨组织时发现敲除小鼠的骨体积明显增加，成骨细胞增加，血清中骨降解标志物无明显变化，但是骨形成标志物明显升高。这表明Piezo1是成骨细胞活性的抑制因子。
因为作者观察到Piezo1在跟骨组织调控相关的破骨细胞和成骨细胞中高表达。因此作者构建了LysM-Piezo1flox/flox和Col1a1-Peizo1flox/flox来探究Piezo1在骨代谢中的作用。两种小鼠检测骨组织，作者并没有发现明显异常，因此破骨细胞和成骨细胞调控骨代谢中Piezo1可有可无。
接下来作者检测了小鼠肠道菌群的变化，然而肠上皮细胞敲除了Piezo1的小鼠肠道菌群并没有明显的变化。检测小鼠肠道长度以及肠道通透性都无明显的改变。这表明敲除肠道上皮细胞Piezo1并不能导致小鼠肠道炎症。在检测小鼠消化道蠕动功能变化时，作者发现肠道上皮细胞Piezo1敲除显著降低肠道蠕动，肠道排空能力下降。由于肠道炎症能够损害肠道的运动性。于是作者构建了DSS诱导的IBD模型。作者发现肠道上皮敲除Piezo1的小鼠的肠道炎症情况好于对照组小鼠，并且5-HT浓度下降明显。这表明Piezo1可能是一个肠道炎症的预防性靶点。
作者进一步探索肠道上皮细胞中Piezo的功能。因为肠道来源的5-HT能够调控肠道蠕动和肠道炎症。结合上述骨组织的变化，作者把目光转向了Piezo1与5-HT之间的关系。不出所料，肠道中和血清总5-HT的水平在敲除小鼠中显著下降。并且肠道中合成5-HT的限速酶Tph1的表达也明显下降。但是EC细胞的标志物无明显变化。恢复实验发现5-HT能够缓解敲除小鼠的骨体积明显增加以及肠道蠕动能力降低和DSS诱导的肠炎抵抗表型。这些实验表明肠道上皮细胞特异性敲除的小鼠产生的变化总的是由于肠道5-HT合成降低。
为了验证这一结论，作者利用Piezo1 的配体Yoda1刺激RIN14B chromaffin细胞系，结果大仙能够显著促进5-HT的合成。如果用Piezo1的抑制剂则能达到相反的效果。利用Yoda1刺激对照组小鼠肠道上皮也能够显著提高Tph1的表达水平，但是敲除小鼠中无这一现象。之后作者用RIN14B chromaffin细胞系在STREX cell stretching system STB-1400系统中进行周期性拉伸实验发现可以机械拉伸促进5-HT产生，在Piezo1敲除的细胞中也能观察到这种变化，在Piezo2敲除的细胞中不能。在小鼠肠道上皮中也观察到了这些现象。这表明在机械力诱导的5-HT过程中Piezo1并不处于主导地位。
鉴于这些实验结果作者猜想肠道菌群来源的因子是够能够促进Piezo1介导的5-HT的产生。实验发现利用抗生素去除肠道菌群并不能改变敲除小鼠的表型，但是对照组小鼠表现出肠道蠕动功能降低，小鼠骨体积上升和5-HT浓度降低等表型。说明肠道菌群来源的因子参与了Piezo1介导的表型变化。于是作者将小鼠粪便去除细菌和真菌后的稀释液刺激体外肠道上皮细胞，发现在对照组小鼠细胞中有明显的钙反应变化，敲除小鼠肠道上皮细胞则没有，利用Yoda1刺激也是同样的变化。这也表明了肠道粪便提取物中含有Piezo1的配体。于是作者分离了粪便提取物中的蛋白、DNA和RNA，刺激Piezo1表达的HEK293T细胞。提取物来源的RNA能够刺激细胞产生钙反应信号。当用能够降低ssRNA的RNase A处理提取物时，这些现象消失了。利用外源ssRNA40也能够刺激Piezo1-HEK293T产生该信号反应。作者进一步用Piezo1内源性表达细胞系N2A验证了这一发现。并且作者发现外源合成的dsRNA以及包括多种DNA在内的多种TLR配体都没有上述功能。虽然有报道称对氨基苯甲酸酯，胆酸盐，酪胺，丁酸酯和丙酸酯能够刺激N2A细胞产生5-HT，但是作者发现这些物质并没有Piezo1的配体活性。作者进一步用MyD88-/-TRIF-/- 细胞和TLR7-/- 小鼠证明TLR信号并不参与这一过程。筛选进一步发现Lrp5介导的5-HT表达调控也没有参与到Piezo1介导的5-HT产生过程。但是利用AKT抑制剂处理细胞能够显著抑制Tph1的表达，AKT信号可能在Piezo1介导的Tph1表达中起到关键作用。基于以上发现，作者认为ssRNA是肠道上皮细胞Piezo1的配体。
为了在体内证明这一发现，作者比较了6周小鼠和35周小鼠骨体积和粪便中RNA含量。作者发现年老小鼠骨体积降低，粪便中RNA含量增加，RNase A表达下降。之后作者每天给与年老小鼠肠道RNase A，持续一月后发现年老小鼠骨体积增加，血清中5-HT水平降低。这项实验表明去除肠道中ssRNA或许是一种有效降低年老小鼠5-HT水平的方法。
虽然本研究证明了ssRNA是肠道上皮细胞中Piezo1的配体促进肠道5-HT产生，但是Piezo1介导的5-HT表达的分子机制还未阐明。还有许多相关问题未解决，例如骨细胞中的Piezo1是否参与运动相关骨质重塑还未知；Piezo1是否存在其他非机械力相关的天然配体还需要进一步探究。
原文链接https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.022
来源：BioGossip BioArt
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