撰文 | 雪月
責編 | 兮
人血清素或5-羥色胺（serotonin，5-hydroxytryptamine 5-HT）來源於腦幹神經元和胃腸道的腸嗜鉻細胞（enterochromaffin cellEC）。5-HT不能穿過血腦屏障。EC細胞分泌的5-HT佔整個人體的95%，因此腸道是周圍組織5-HT的主要來源。腸道來源的5-HT大部分會被血小板吸收，在特定刺激下會釋放，從而促進血小板聚集、腸蠕動或者腸炎等。游離的5-HT會作為激素髮揮作用，發揮抑制成骨細胞增殖等作用【1】。
儘管腸道來源的5-HT多效性對人體機能維持非常重要，但是EC細胞中5-HT的表達調控機制尚不清楚。
最新研究表明微生物群中孢子形成的細菌促進EC細胞5-HT的產生，並且鑑定出幾種糞便代謝產物如脫氧膽酸鹽、α-生育酚，酪胺等也可以誘導EC細胞5-HT合成【2】。
2020年7月7日，日本大阪大學的Kenta Maruyama團隊在Cell上發表了題為RNA Sensing by Gut Piezo1 Is Essential for Systemic Serotonin Synthesis的文章。本研究發現腸道排洩物中單鏈RNA是機械力門控離子通道Piezo1的配體，介導腸道5-羥色胺合成，並抑制骨質生成。
胃腸道中機械力感應機制對於正常的消化道蠕動至關重要。研究表明在脈管發育、血壓調控、組織炎症（Nature亮點 | 機械壓力可激活固有免疫反應）等過程中【3】，機械力門控離子通道Piezo1和Piezo2是機械力信號轉導中的關鍵分子。最近有研究表明Piezo1和Piezo2在胃腸道上皮細胞中有表達。一項體外實驗發現EC細胞中Piezo2通過調控細胞內鈣流從而促進5-HT的釋放。但是Piezo1在5-HT合成過程中的作用還不清楚。
於是該團隊首先檢測了Piezo1發現高表達於小鼠肺、脾臟、腸道和骨組織。利用原位雜交實驗發現Piezo1主要定位於腸道上皮細胞的基底部，並且遍布整個腸道。作者構建了腸道上皮細胞特異性敲除的小鼠(Villin-Piezo1flox/flox)，該小鼠並沒有表現出明顯異常，組織切片檢測無腸道炎症出現。但是檢測小鼠骨組織時發現敲除小鼠的骨體積明顯增加，成骨細胞增加，血清中骨降解標誌物無明顯變化，但是骨形成標誌物明顯升高。這表明Piezo1是成骨細胞活性的抑制因子。
因為作者觀察到Piezo1在跟骨組織調控相關的破骨細胞和成骨細胞中高表達。因此作者構建了LysM-Piezo1flox/flox和Col1a1-Peizo1flox/flox來探究Piezo1在骨代謝中的作用。兩種小鼠檢測骨組織，作者並沒有發現明顯異常，因此破骨細胞和成骨細胞調控骨代謝中Piezo1可有可無。
接下來作者檢測了小鼠腸道菌群的變化，然而腸上皮細胞敲除了Piezo1的小鼠腸道菌群並沒有明顯的變化。檢測小鼠腸道長度以及腸道通透性都無明顯的改變。這表明敲除腸道上皮細胞Piezo1並不能導致小鼠腸道炎症。在檢測小鼠消化道蠕動功能變化時，作者發現腸道上皮細胞Piezo1敲除顯著降低腸道蠕動，腸道排空能力下降。由於腸道炎症能夠損害腸道的運動性。於是作者構建了DSS誘導的IBD模型。作者發現腸道上皮敲除Piezo1的小鼠的腸道炎症情況好於對照組小鼠，並且5-HT濃度下降明顯。這表明Piezo1可能是一個腸道炎症的預防性靶點。
作者進一步探索腸道上皮細胞中Piezo的功能。因為腸道來源的5-HT能夠調控腸道蠕動和腸道炎症。結合上述骨組織的變化，作者把目光轉向了Piezo1與5-HT之間的關係。不出所料，腸道中和血清總5-HT的水平在敲除小鼠中顯著下降。並且腸道中合成5-HT的限速酶Tph1的表達也明顯下降。但是EC細胞的標誌物無明顯變化。恢復實驗發現5-HT能夠緩解敲除小鼠的骨體積明顯增加以及腸道蠕動能力降低和DSS誘導的腸炎抵抗表型。這些實驗表明腸道上皮細胞特異性敲除的小鼠產生的變化總的是由於腸道5-HT合成降低。
為了驗證這一結論，作者利用Piezo1 的配體Yoda1刺激RIN14B chromaffin細胞系，結果大仙能夠顯著促進5-HT的合成。如果用Piezo1的抑制劑則能達到相反的效果。利用Yoda1刺激對照組小鼠腸道上皮也能夠顯著提高Tph1的表達水平，但是敲除小鼠中無這一現象。之後作者用RIN14B chromaffin細胞系在STREX cell stretching system STB-1400系統中進行周期性拉伸實驗發現可以機械拉伸促進5-HT產生，在Piezo1敲除的細胞中也能觀察到這種變化，在Piezo2敲除的細胞中不能。在小鼠腸道上皮中也觀察到了這些現象。這表明在機械力誘導的5-HT過程中Piezo1並不處於主導地位。
鑑於這些實驗結果作者猜想腸道菌群來源的因子是夠能夠促進Piezo1介導的5-HT的產生。實驗發現利用抗生素去除腸道菌群並不能改變敲除小鼠的表型，但是對照組小鼠表現出腸道蠕動功能降低，小鼠骨體積上升和5-HT濃度降低等表型。說明腸道菌群來源的因子參與了Piezo1介導的表型變化。於是作者將小鼠糞便去除細菌和真菌後的稀釋液刺激體外腸道上皮細胞，發現在對照組小鼠細胞中有明顯的鈣反應變化，敲除小鼠腸道上皮細胞則沒有，利用Yoda1刺激也是同樣的變化。這也表明了腸道糞便提取物中含有Piezo1的配體。於是作者分離了糞便提取物中的蛋白、DNA和RNA，刺激Piezo1表達的HEK293T細胞。提取物來源的RNA能夠刺激細胞產生鈣反應信號。當用能夠降低ssRNA的RNase A處理提取物時，這些現象消失了。
利用外源ssRNA40也能夠刺激Piezo1-HEK293T產生該信號反應。作者進一步用Piezo1內源性表達細胞系N2A驗證了這一發現。並且作者發現外源合成的dsRNA以及包括多種DNA在內的多種TLR配體都沒有上述功能。雖然有報導稱對氨基苯甲酸酯，膽酸鹽，酪胺，丁酸酯和丙酸酯能夠刺激N2A細胞產生5-HT，但是作者發現這些物質並沒有Piezo1的配體活性。作者進一步用MyD88-/-TRIF-/- 細胞和TLR7-/- 小鼠證明TLR信號並不參與這一過程。篩選進一步發現Lrp5介導的5-HT表達調控也沒有參與到Piezo1介導的5-HT產生過程。但是利用AKT抑制劑處理細胞能夠顯著抑制Tph1的表達，AKT信號可能在Piezo1介導的Tph1表達中起到關鍵作用。基於以上發現，作者認為ssRNA是腸道上皮細胞Piezo1的配體。
為了在體內證明這一發現，作者比較了6周小鼠和35周小鼠骨體積和糞便中RNA含量。作者發現年老小鼠骨體積降低，糞便中RNA含量增加，RNase A表達下降。之後作者每天給予年老小鼠腸道RNase A，持續一月後發現年老小鼠骨體積增加，血清中5-HT水平降低。這項實驗表明去除腸道中ssRNA或許是一種有效降低年老小鼠5-HT水平的方法。
雖然本研究證明了ssRNA是腸道上皮細胞中Piezo1的配體促進腸道5-HT產生，但是Piezo1介導的5-HT表達的分子機制還未闡明。還有許多相關問題未解決，例如骨細胞中的Piezo1是否參與運動相關骨質重塑還未知；Piezo1是否存在其他非機械力相關的天然配體還需要進一步探究。