iMeta 湖北中医药大学许康/王春莉团队揭示肠道菌群介导乳酸化和丁酰化竞争性修饰调控瓣膜钙化新机制

钙化性主动脉瓣膜疾病(CAVD)是一种复杂的慢性病理过程，主要特征为主动脉瓣膜增厚、钙化及纤维化，最终导致严重心血管事件。随着人口老龄化，CAVD发病率逐年上升，但尚无有效药物可延缓其进展，侵入性瓣膜置换术仍是主要治疗手段。近年来，肠道菌群在维持宿主健康中的作用日益受到关注，肠道菌群失调与多种慢性疾病密切相关，包括心血管疾病。然而，关于肠道菌群在CAVD发病中的具体作用及其调控机制，目前尚缺乏深入研究。

2025年5月19日，湖北中医药大学、湖北时珍实验室许康教授、王春莉副教授科研团队联合重庆大学王贵学教授、武汉协和医院董念国教授等在微生物领域顶尖期刊iMeta 在线发表了题为“Gut microbiota-derived butyric acid regulates calcific aortic valve disease pathogenesis by modulating GAPDH lactylation and butyrylation”的突破性成果。研究团队通过脏笼实验与粪菌移植发现了肠道菌群对CAVD的调控作用，并进一步揭示了益生菌产生的短链脂肪酸丁酸通过“肠心轴”穿梭进入心脏，通过GAPDH K263位点的丁酰化(Kbu)与乳酸化(Kla)竞争性修饰，调控CAVD的疾病进程。该研究首次阐明了“肠道微生物-代谢物-表观修饰”轴在CAVD中的调控作用，创新性提出了乳酸化与丁酰化的竞争性修饰作用是调控CAVD的核心分子机制。上述研究为CAVD的治疗策略提供了新思路。 

1. 主动脉瓣钙化受粪便微生物群和脏笼环境的调节

研究人员根据跨瓣压差、流速、钙沉积及瓣膜厚度等指标的测量结果(图1A, B)，发现单笼饲养并摄入高脂饮食(HF)的小鼠群体中钙化水平存在显著差异。通过聚类分析、神经网络分析确定了两种类型的小鼠：一组(n = 12)表现为难钙化(Diffct)，另一组(n = 12)则呈现易钙化(Easy)。通过脏笼实验与粪菌移植明确了肠道菌群具有调控CAVD的作用。 

图1. 肠道菌群与主动脉瓣钙化密切相关

2. 普拉梭菌是抑制瓣膜钙化的关键菌株

基于16S rRNA测序分析发现，难钙化小鼠的粪便微生物多样性更高(图2A, B)。通过对差异最显著的10个菌种进行深入分析，发现仅有Burkholderiales_bacterium和F. prausnitzii在所有样本中稳定存在(图2I)。其中，Burkholderiales_bacterium在钙化易感小鼠粪便中显著富集，且其丰度与钙化严重程度呈正相关，提示其可能具有促钙化作用(图2I, J)。与之相反，普拉梭菌在易感组中丰度显著降低，其水平与Von Kossa染色阳性面积、瓣膜厚度、跨瓣压差及血流速度等钙化指标均呈显著负相关(p < 0.05)(图2I, K)。为探究普拉梭菌的抗钙化潜力，研究人员将该菌株体外扩增培养后单菌移植于ApoE^-/-基因敲除小鼠，并通过进一步的实验证实了普拉梭菌具有抗钙化作用。 

图2. 肠道微生物测序揭示普拉梭菌是粪便中抑制瓣膜钙化的关键菌种

3. 丁酸是普拉梭菌调控CAVD的核心作用介质

为阐明普拉梭菌与心脏瓣膜钙化病关联的分子机制，研究人员对主动脉瓣易钙化组(Easy, n = 12)和难钙化组(Diffct, n = 12)的ApoE^-/-小鼠粪便及血清样本进行代谢组学分析。结果证实丁酸可穿越肠道屏障进入血液循环，并在心脏组织蓄积发挥抗CAVD保护作用。 

图3. 粪便与血清代谢组学分析揭示丁酸是普拉梭菌抑制钙化的关键介质

4. 离体和体内实验证实丁酸改善主动脉瓣钙化

为进一步阐明丁酸对主动脉瓣钙化的保护作用，研究团队开展了系统的体内外验证。通过实验证实丁酸通过以下多维度机制发挥抗钙化作用：①下调成骨信号通路关键分子(Runx2/BMP2)；②逆转钙化相关基因表达谱改变；③纠正hVICs糖酵解代谢紊乱。这些发现系统阐明了丁酸在体内外抑制主动脉瓣钙化的分子基础。 

图4. 丁酸通过调节hVICs的糖酵解代谢抑制心脏瓣膜钙化

5. 丁酸通过竞争性抑制GAPDH乳酸化发挥抗钙化作用

为深入解析丁酸调控瓣膜钙化的分子机制，在上述糖酵解通路的高度富集提示下，研究聚焦于丁酸对蛋白质乳酸化修饰的调控作用。研究人员通过乳酸化修饰组学与IP验证，证实了甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)是关键靶点。质谱分析进一步鉴定出GAPDH的K194、K215及K263为三个主要乳酸化修饰位点。通过构建位点突变质粒，并进一步采用细胞分子生物实验证实了GAPDH K263位点的丁酰化水平与钙化程度呈负相关，而该位点的乳酸化水平则与疾病进展正相关。最后，对8例健康供体与8例钙化患者来源的hVICs分析显示，钙化组GAPDH K263丁酰化水平显著降低而乳酸化水平升高，两者均与Runx2/BMP2表达显著相关(图5)。 

图5. 丁酸通过竞争性抑制GAPDH乳酸化发挥抗瓣膜钙化作用

综上，本研究发现普拉梭菌(F. prausnitzii)具有调节主动脉瓣钙化的作用，其产生的丁酸(BA)在抗钙化功能中发挥着重要作用，并揭示了丁酸抗主动脉瓣钙化的新型表观遗传调控机制：通过竞争性促进GAPDH K263位点的丁酰化修饰，阻断促钙化的乳酸化修饰，从而抑制成骨信号通路激活。肠道微生物-代谢物-表观遗传修饰调控轴为钙化性主动脉瓣膜病提供了极具前景的治疗靶标。 

图文摘要：普拉梭菌产生的丁酸通过竞争性促进GAPDH K263位点的丁酰化修饰，阻断促钙化的乳酸化修饰，从而抑制成骨信号通路激活，延缓CAVD的疾病进展。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/imt2.70048