摘要：α-1抗胰蛋白酶（AAT）是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂，可保护组织免受中性粒细胞弹性蛋白酶及其他蛋白酶的损伤。
α-1抗胰蛋白酶（AAT）是一种主要由肝细胞合成和分泌的丝氨酸蛋白酶抑制剂，其经典功能是保护组织免受中性粒细胞弹性蛋白酶等蛋白酶的损伤。编码SERPINA1基因的Z突变（Glu342Lys）导致AAT蛋白错误折叠并在肝细胞内质网中聚合，形成有毒性的ATZ聚合物，从而引发AAT缺乏症（AATD）。临床上，AATD患者因循环AAT水平下降而易患早发性肺气肿，同时肝细胞内ATZ聚合物的积累会导致蛋白毒性应激，进而引起慢性肝病、肝硬化和肝细胞癌。
近年来，流行病学研究不断提示AATD可能与炎症性肠病（IBDs）存在关联。例如，瑞典研究发现溃疡性结肠炎（UC）患者中MZ杂合子比例显著高于普通人群；英国一项针对严重AATD患者的回顾性研究显示其IBD患病率（1.5%）远高于预期（0.4%）；梅奥诊所的研究更指出同时患有AATD和UC的患者病情更为凶险，常需快速接受结肠切除术。然而，这些关联性研究并未建立因果关系，且既往提出的“系统性蛋白酶-抗蛋白酶失衡”假说无法解释突变型ATZ在肠上皮细胞（IECs）内部积累可能产生的直接影响。
基于此，研究人员提出假设：肠道上皮细胞中表达的聚合倾向性ATZ会扰乱上皮蛋白质稳态，从而在炎症刺激下暴露出上皮脆弱性，并可能通过肠肝轴加重肝外病理。该研究聚焦于潘氏细胞（Paneth cells），因其具有高度分泌活性，对内质网（ER）稳态紊乱、囊泡运输障碍和自噬降解异常极为敏感，是探究蛋白毒性应激与肠道炎症关系的理想靶点。该研究成果发表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》。
图1 聚合型α-1抗胰蛋白酶破坏潘氏细胞蛋白质稳态并加剧肠道炎症
研究人员采用了以下关键技术：1）利用PiZ转基因小鼠（表达人Z突变型AAT）及对照PiM（表达野生型人AAT）和野生型（WT）小鼠，通过3%葡聚糖硫酸钠（DSS）饮水法建立急性结肠炎模型；2）运用免疫荧光染色、免疫印迹和共免疫沉淀技术检测ATZ聚合物分布、内质网应激标志物及溶菌酶-1（Lyz1）与LC3/LAMP1的相互作用；3）采用透射电子显微镜观察潘氏细胞超微结构；4）对小鼠小肠隐窝进行转录组测序和蛋白质组学分析；5）从人PiMM和等基因PiZZ iPSC系分化获得人小肠类器官（hSIOs）并进行转录组分析；6）通过16S rRNA测序分析粪便微生物群组成；7）使用药理学工具（毒胡萝卜素TG诱导ER应激、4-苯基丁酸4-PBA缓解ER应激）及外源性溶菌酶体内干预实验。
AATD加剧小鼠对DSS诱导急性结肠炎的易感性
与WT和PiM小鼠相比，PiZ小鼠在接受3%DSS处理后体重下降更显著，结肠长度明显缩短，组织病理学评分更高。值得注意的是，PiM小鼠表现出部分保护作用，这与既往报道一致。此外，DSS处理的PiZ小鼠还出现了加重的肝脏异常，包括更多炎症灶、更高水平的促炎细胞因子mRNA、增加的胶原沉积以及升高的血清ALT/AST水平，并且肝内PAS-D阳性球状体（AATD肝病的标志）增多。
突变型hATZ在肠上皮细胞中表达并形成聚合物，改变小鼠肠道形态
单细胞RNA测序分析显示，Serpina1b在小肠所有上皮细胞中广泛表达，其中在肠内分泌细胞（EECs）、杯状细胞和潘氏细胞等分泌谱系中表达最高。免疫荧光证实PiZ小鼠的肠上皮细胞中存在hATZ聚合物球状体，特别是在EECs、杯状细胞和潘氏细胞中，结肠隐窝细胞中也有检出。
突变型hATZ表达破坏肠道结构并诱导ER应激相关转录应答
PiZ小鼠十二指肠绒毛长度显著增加，潘氏细胞和杯状细胞数量增多。转录组分析显示PiZ小鼠小肠隐窝中有193个差异表达基因，上调通路主要包括“内质网中蛋白质加工”、“蛋白酶体”和“抗原加工与呈递”。免疫印迹进一步证实了PERK-eIF2α分支的ER应激/UPR标志物激活，而IRE1α和ATF6α分支参与较少。虽然PiZ小鼠不会自发结肠炎，但随着年龄增长（80周龄）会出现渐进性绒毛-隐窝比降低和潘氏细胞缺陷加剧。
突变型ATZ对人组织及iPSC来源小肠类器官的影响
公共人类单细胞图谱显示SERPINA1在空肠和回肠上皮各谱系中均有表达。来自一名AATD合并克罗恩病（CD）患者的回肠活检组织中检出了ATZ聚合物。研究人员利用PiMM和等基因PiZZ iPSC分化获得的人小肠类器官（hSIOs）进一步证实：Pi*ZZ类器官中ATZ聚合物在杯状细胞和潘氏细胞中积累，转录组分析发现4,206个差异表达基因，上调通路包括ER蛋白加工和炎症通路，而下调通路涉及细胞周期、DNA修复和WNT信号。
PiZ小鼠潘氏细胞稳态缺陷与溶菌酶分泌异常
电镜显示PiZ小鼠潘氏细胞呈现严重超微结构异常，包括内质网破坏、胞质囊泡积聚以及异常的分泌颗粒形态（致密核心周围环绕电子透明晕环）。与对照组相比，PiZ隐窝中细胞内Lyz1水平降低，而全回肠组织中总Lyz1水平升高，整体免疫荧光染色显示PiZ小鼠黏液层中Lyz1信号增强。分泌实验证实PiZ隐窝中Lyz1分泌增加。微生物组分析显示PiZ小鼠出现显著菌群失调，表现为抗炎性厚壁菌门减少而拟杆菌门扩增。外源性溶菌酶体内给药进一步加重了PiZ小鼠的肠道和肝脏纤维化。
ER应激导致PiZ隐窝中Lyz1运输和分泌异常
共免疫沉淀显示PiZ隐窝中Lyz1与LC3的结合显著增加，而LC3与LAMP1的结合却明显减少，表明Lyz1被异常分选至LC3+自噬体但后续的自噬体-溶酶体融合受阻。自噬通量实验证实PiZ样品中溶酶体降解功能受损。药理学实验表明：ER应激诱导剂TG可进一步增加PiZ隐窝中Lyz1分泌，而化学伴侣4-PBA则能减少Lyz1分泌并增加细胞内Lyz1滞留。体内给予4-PBA同样恢复了PiZ小鼠隐窝中Lyz1的细胞内水平。
图2 PiZ小鼠比对照小鼠更容易患DSS诱导的结肠炎
本研究揭示了AATD与IBDs之间的因果联系及其分子机制。研究人员发现，潘氏细胞是ATZ介导的蛋白毒性应激的一个此前未被认识到的靶点。在PiZ小鼠模型中，ATZ聚合物在潘氏细胞内的积累触发了内质网应激，导致溶酶体清除功能受损、Lyz1与LC3+区室异常结合以及自噬体-溶酶体融合障碍，最终使Lyz1通过非经典分泌途径大量释放到肠腔。过量的溶菌酶不仅改变了肠道微生物群的组成（促进促炎性菌群扩张），还在DSS诱导的结肠炎中加重了肠道和肝脏的病理损伤。
重要的是，这种潘氏细胞功能障碍并非AATD所独有，而是代表了蛋白质稳态障碍疾病中分泌细胞的一种共同表型。在囊性纤维化、先天性ER质量控制缺陷以及其他蛋白病（如Aβ和突变SOD1）中也观察到类似的潘氏细胞颗粒形态和抗菌肽分泌异常，支持肠道上皮功能障碍可能是系统性蛋白质稳态失衡的前哨特征这一概念。
研究人员强调，AATD应被视为一种IBD易感性的修饰因子而非直接病因——PiZ小鼠虽然表现出明显的上皮脆弱性，但在无额外触发因素的情况下并不会发生自发性结肠炎，这与其他许多IBD易感模型一致。此外，该研究通过揭示肠道炎症可加重PiZ小鼠已有的肝脏表型（炎症、纤维化和ATZ聚合物积累），为理解AATD中肠肝轴的贡献提供了新的视角。药理学缓解ER应激（如使用4-PBA或潜在更具临床转化前景的TUDCA）能够恢复隐窝稳态并正常化Lyz1分泌，为未来开发针对AATD相关肠道并发症的治疗策略提供了理论基础。
参考资料
[1] Polymeric alpha-1 antitrypsin perturbs Paneth cell proteostasis and exacerbates intestinal inflammation
摘要：α-1抗胰蛋白酶（AAT）是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂，可保护组织免受中性粒细胞弹性蛋白酶及其他蛋白酶的损伤。
α-1抗胰蛋白酶（AAT）是一种主要由肝细胞合成和分泌的丝氨酸蛋白酶抑制剂，其经典功能是保护组织免受中性粒细胞弹性蛋白酶等蛋白酶的损伤。编码SERPINA1基因的Z突变（Glu342Lys）导致AAT蛋白错误折叠并在肝细胞内质网中聚合，形成有毒性的ATZ聚合物，从而引发AAT缺乏症（AATD）。临床上，AATD患者因循环AAT水平下降而易患早发性肺气肿，同时肝细胞内ATZ聚合物的积累会导致蛋白毒性应激，进而引起慢性肝病、肝硬化和肝细胞癌。
近年来，流行病学研究不断提示AATD可能与炎症性肠病（IBDs）存在关联。例如，瑞典研究发现溃疡性结肠炎（UC）患者中MZ杂合子比例显著高于普通人群；英国一项针对严重AATD患者的回顾性研究显示其IBD患病率（1.5%）远高于预期（0.4%）；梅奥诊所的研究更指出同时患有AATD和UC的患者病情更为凶险，常需快速接受结肠切除术。然而，这些关联性研究并未建立因果关系，且既往提出的“系统性蛋白酶-抗蛋白酶失衡”假说无法解释突变型ATZ在肠上皮细胞（IECs）内部积累可能产生的直接影响。
基于此，研究人员提出假设：肠道上皮细胞中表达的聚合倾向性ATZ会扰乱上皮蛋白质稳态，从而在炎症刺激下暴露出上皮脆弱性，并可能通过肠肝轴加重肝外病理。该研究聚焦于潘氏细胞（Paneth cells），因其具有高度分泌活性，对内质网（ER）稳态紊乱、囊泡运输障碍和自噬降解异常极为敏感，是探究蛋白毒性应激与肠道炎症关系的理想靶点。该研究成果发表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》。
图1 聚合型α-1抗胰蛋白酶破坏潘氏细胞蛋白质稳态并加剧肠道炎症
研究人员采用了以下关键技术：1）利用PiZ转基因小鼠（表达人Z突变型AAT）及对照PiM（表达野生型人AAT）和野生型（WT）小鼠，通过3%葡聚糖硫酸钠（DSS）饮水法建立急性结肠炎模型；2）运用免疫荧光染色、免疫印迹和共免疫沉淀技术检测ATZ聚合物分布、内质网应激标志物及溶菌酶-1（Lyz1）与LC3/LAMP1的相互作用；3）采用透射电子显微镜观察潘氏细胞超微结构；4）对小鼠小肠隐窝进行转录组测序和蛋白质组学分析；5）从人PiMM和等基因PiZZ iPSC系分化获得人小肠类器官（hSIOs）并进行转录组分析；6）通过16S rRNA测序分析粪便微生物群组成；7）使用药理学工具（毒胡萝卜素TG诱导ER应激、4-苯基丁酸4-PBA缓解ER应激）及外源性溶菌酶体内干预实验。
AATD加剧小鼠对DSS诱导急性结肠炎的易感性
与WT和PiM小鼠相比，PiZ小鼠在接受3%DSS处理后体重下降更显著，结肠长度明显缩短，组织病理学评分更高。值得注意的是，PiM小鼠表现出部分保护作用，这与既往报道一致。此外，DSS处理的PiZ小鼠还出现了加重的肝脏异常，包括更多炎症灶、更高水平的促炎细胞因子mRNA、增加的胶原沉积以及升高的血清ALT/AST水平，并且肝内PAS-D阳性球状体（AATD肝病的标志）增多。
突变型hATZ在肠上皮细胞中表达并形成聚合物，改变小鼠肠道形态
单细胞RNA测序分析显示，Serpina1b在小肠所有上皮细胞中广泛表达，其中在肠内分泌细胞（EECs）、杯状细胞和潘氏细胞等分泌谱系中表达最高。免疫荧光证实PiZ小鼠的肠上皮细胞中存在hATZ聚合物球状体，特别是在EECs、杯状细胞和潘氏细胞中，结肠隐窝细胞中也有检出。
突变型hATZ表达破坏肠道结构并诱导ER应激相关转录应答
PiZ小鼠十二指肠绒毛长度显著增加，潘氏细胞和杯状细胞数量增多。转录组分析显示PiZ小鼠小肠隐窝中有193个差异表达基因，上调通路主要包括“内质网中蛋白质加工”、“蛋白酶体”和“抗原加工与呈递”。免疫印迹进一步证实了PERK-eIF2α分支的ER应激/UPR标志物激活，而IRE1α和ATF6α分支参与较少。虽然PiZ小鼠不会自发结肠炎，但随着年龄增长（80周龄）会出现渐进性绒毛-隐窝比降低和潘氏细胞缺陷加剧。
突变型ATZ对人组织及iPSC来源小肠类器官的影响
公共人类单细胞图谱显示SERPINA1在空肠和回肠上皮各谱系中均有表达。来自一名AATD合并克罗恩病（CD）患者的回肠活检组织中检出了ATZ聚合物。研究人员利用PiMM和等基因PiZZ iPSC分化获得的人小肠类器官（hSIOs）进一步证实：Pi*ZZ类器官中ATZ聚合物在杯状细胞和潘氏细胞中积累，转录组分析发现4,206个差异表达基因，上调通路包括ER蛋白加工和炎症通路，而下调通路涉及细胞周期、DNA修复和WNT信号。
PiZ小鼠潘氏细胞稳态缺陷与溶菌酶分泌异常
电镜显示PiZ小鼠潘氏细胞呈现严重超微结构异常，包括内质网破坏、胞质囊泡积聚以及异常的分泌颗粒形态（致密核心周围环绕电子透明晕环）。与对照组相比，PiZ隐窝中细胞内Lyz1水平降低，而全回肠组织中总Lyz1水平升高，整体免疫荧光染色显示PiZ小鼠黏液层中Lyz1信号增强。分泌实验证实PiZ隐窝中Lyz1分泌增加。微生物组分析显示PiZ小鼠出现显著菌群失调，表现为抗炎性厚壁菌门减少而拟杆菌门扩增。外源性溶菌酶体内给药进一步加重了PiZ小鼠的肠道和肝脏纤维化。
ER应激导致PiZ隐窝中Lyz1运输和分泌异常
共免疫沉淀显示PiZ隐窝中Lyz1与LC3的结合显著增加，而LC3与LAMP1的结合却明显减少，表明Lyz1被异常分选至LC3+自噬体但后续的自噬体-溶酶体融合受阻。自噬通量实验证实PiZ样品中溶酶体降解功能受损。药理学实验表明：ER应激诱导剂TG可进一步增加PiZ隐窝中Lyz1分泌，而化学伴侣4-PBA则能减少Lyz1分泌并增加细胞内Lyz1滞留。体内给予4-PBA同样恢复了PiZ小鼠隐窝中Lyz1的细胞内水平。
图2 PiZ小鼠比对照小鼠更容易患DSS诱导的结肠炎
本研究揭示了AATD与IBDs之间的因果联系及其分子机制。研究人员发现，潘氏细胞是ATZ介导的蛋白毒性应激的一个此前未被认识到的靶点。在PiZ小鼠模型中，ATZ聚合物在潘氏细胞内的积累触发了内质网应激，导致溶酶体清除功能受损、Lyz1与LC3+区室异常结合以及自噬体-溶酶体融合障碍，最终使Lyz1通过非经典分泌途径大量释放到肠腔。过量的溶菌酶不仅改变了肠道微生物群的组成（促进促炎性菌群扩张），还在DSS诱导的结肠炎中加重了肠道和肝脏的病理损伤。
重要的是，这种潘氏细胞功能障碍并非AATD所独有，而是代表了蛋白质稳态障碍疾病中分泌细胞的一种共同表型。在囊性纤维化、先天性ER质量控制缺陷以及其他蛋白病（如Aβ和突变SOD1）中也观察到类似的潘氏细胞颗粒形态和抗菌肽分泌异常，支持肠道上皮功能障碍可能是系统性蛋白质稳态失衡的前哨特征这一概念。
研究人员强调，AATD应被视为一种IBD易感性的修饰因子而非直接病因——PiZ小鼠虽然表现出明显的上皮脆弱性，但在无额外触发因素的情况下并不会发生自发性结肠炎，这与其他许多IBD易感模型一致。此外，该研究通过揭示肠道炎症可加重PiZ小鼠已有的肝脏表型（炎症、纤维化和ATZ聚合物积累），为理解AATD中肠肝轴的贡献提供了新的视角。药理学缓解ER应激（如使用4-PBA或潜在更具临床转化前景的TUDCA）能够恢复隐窝稳态并正常化Lyz1分泌，为未来开发针对AATD相关肠道并发症的治疗策略提供了理论基础。
参考资料
[1] Polymeric alpha-1 antitrypsin perturbs Paneth cell proteostasis and exacerbates intestinal inflammation
