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Nature：通過基因操縱腸道“君”調(diào)節(jié)菌群代謝物IPA影響宿主健康

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月14日 05:59

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近些年研究已證實腸道微生物組成的變化與宿主生理學(xué)和人類疾病存在密切關(guān)聯(lián)，芳香族氨基酸（AAA）通過腸道共生梭狀芽孢桿菌（Clostridium sporogenes）代謝產(chǎn)生小分子代謝物吲哚丙酸（IPA）并在宿主血液中積累，且基因操縱C. sporogenes菌調(diào)節(jié)這些代謝物在無菌小鼠的血清水平，能反過來影響腸道通透性和全身免疫。然而我們對于微生物-宿主相互作用的分子機制卻知之甚少，目前，建立微生物菌群代謝與宿主之間的聯(lián)系及最終的干預(yù)治療方式面臨三大核心挑戰(zhàn)：

如何描述菌群代謝物的生物活性，以及與疾病的相關(guān)性；

確定其代謝途徑，實現(xiàn)從測序數(shù)據(jù)預(yù)測代謝產(chǎn)物；

通過基因工程和綜合生態(tài)學(xué)結(jié)合調(diào)控腸道菌群的代謝輸出。

為探究C.sporogenes菌產(chǎn)生AAA代謝產(chǎn)物的關(guān)鍵代謝通路，并闡述腸道菌群影響宿主健康的機理，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院JustinL. Sonnenburg研究團(tuán)隊采用遺傳學(xué)和代謝組學(xué)技術(shù)對其進(jìn)行了深入的研究。

Part

作者先試圖找出厚壁菌門（Firmicutes）的C. sporogenes菌產(chǎn)生IPA的代謝途徑。研究表明C. sporogenes和Clostridium botulinum可以利用色氨酸代謝產(chǎn)生IPA，同時可以將苯丙氨酸和酪氨酸代謝成相應(yīng)的丙酸衍生物[苯丙酸(PPA)和4-羥基苯丙酸(4-OH-PPA)]，作者假設(shè)IPA可能來源于類似PPA的代謝途徑，因此需要旁系同源脫水酶來催化這個化學(xué)反應(yīng)。通過C.sporogenes基因組的計算搜索，未能鑒定密切相關(guān)的脫水酶，推測苯基乳酸脫水酶(FldABC)本身可能參與IPA產(chǎn)生，F(xiàn)ldABC的表達(dá)基因是C.sporogenes染色體中15kb基因簇的一部分,選擇性插入ClosTron盒破壞FldABC的fldC亞基對C.sporogenes菌的影響，通過LC–MS/MS檢測野生型和突變型細(xì)胞培養(yǎng)基中相關(guān)代謝物濃度（IPA、PPA、4-OH-PPA等），結(jié)果顯示fldC對于所有三種芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）的還原代謝是必不可少的，并為共有的還原途徑提供遺傳證據(jù)。

Part

C. sporogenes菌是目前已知產(chǎn)生IPA的唯一腸道細(xì)菌。但其他腸道菌群是否存在代謝產(chǎn)生IPA的生物功能呢？他們?yōu)榱蓑炞C這一問題，從人類微生物組計劃（HMP）中獲得了40個細(xì)菌（主要為厚壁菌門）分離株進(jìn)行檢測分析，36個在RCM（reinforced clostridial medium）中生長，其中31個顯示檢測不到芳基丙酸鹽，其他5個可檢測到芳基丙酸鹽，進(jìn)而鑒定出產(chǎn)生IPA的四株新菌群(P. anaerobius , C. botulinum, C. difficile, C. cadaveris)，結(jié)果表明與FldABC基因簇同源的存在是產(chǎn)生IPA的細(xì)菌的可靠標(biāo)記，可見C. sporogenes菌并非產(chǎn)生IPA的唯一腸道菌。

Part

對于AAA代謝途徑，作者構(gòu)建四個突變體（porA，fldH，acdA，fldZ）并假設(shè)它們在氧化或還原AAA代謝中具有作用。

研究結(jié)果顯示：

fldH，fldC和acdA是所有三種AAA還原代謝所必需的;

porA對苯丙氨酸和酪氨酸的氧化代謝很重要，但不參與色氨酸的氧化;

fldZ可能不參與AAA還原代謝過程。

這些突變體在定植動物中是否可以調(diào)控宿主代謝物水平？使用野生型以及fldC突變芽孢桿菌菌株定植小鼠，發(fā)現(xiàn)四周后檢測血清中色氨酸代謝物，野生型定植的小鼠血清中的IPA約為80μM，而fldC定植的小鼠血清中未檢測到IPA，表明腸共生的基因操作可以調(diào)控血清中菌群代謝物水平，而這些代謝物可能對宿主生理狀態(tài)的調(diào)節(jié)具有重要作用。

Part

活生孢梭菌的定植以PXR依賴性方式降低腸滲透性，并且IPA被認(rèn)為是該過程的主要分子開關(guān)，假設(shè)調(diào)節(jié)IPA水平會改變宿主免疫。研究人員采用流式細(xì)胞術(shù)檢測外周血中的免疫細(xì)胞，結(jié)果顯示fldC突變體定植的動物中嗜中性粒細(xì)胞、Ly6C +單核細(xì)胞、記憶T細(xì)胞（CD4 +和CD8 +）水平顯著增加。進(jìn)一步使用ELISA測定血清IgG和盲腸IgA，結(jié)果顯示IPA缺陷的fldC突變體定殖小鼠中的生孢梭菌特異性IgG和分泌到腸腔中的IgA顯著增加，表明通過改變菌群代謝物水平可以激活宿主免疫，并誘導(dǎo)細(xì)菌特異性體液免疫發(fā)生普遍變化。

那C. sporogenes在更復(fù)雜的菌群環(huán)境中其代謝過程是否會發(fā)生變化呢？特殊的菌群環(huán)境是由不產(chǎn)生IPA代謝物的7種菌群組成，定植五周后野生型定植的小鼠血清中的IPA約為5μM，盲腸內(nèi)容物IPA約為65pmol/mg，但在fldC定植的小鼠中未檢測到IPA，表明在更為復(fù)雜的群落中IPA濃度依賴于生孢梭菌并需要完整的fldC基因。進(jìn)一步測試IPA水平升高是否與腸道通透性降低相對應(yīng)，相比于野生型，fldC定植的小鼠表現(xiàn)出顯著增加的對FITC-葡聚糖的滲透性，其結(jié)果與IPA通過PXR信號傳導(dǎo)以強化腸屏障的模型一致。

C. sporogenes 參與AAA還原代謝途徑可以產(chǎn)生12種代謝物，其中9種代謝物進(jìn)入宿主血漿中，至少3種代謝物只能通過菌群產(chǎn)生，高豐度細(xì)菌衍生代謝物的水平可以通過基因改造腸道細(xì)菌被調(diào)節(jié)，從而影響宿主的生理機能。

IPA只是冰山一角，還有膽汁酸、短鏈脂肪酸、氨基酸、苯甲酰和苯基衍生物、吲哚衍生物、脂類、膽堿、酚類、脂類、維生素、激素以及多胺等更多類別的菌群宿主共代謝物有待我們?nèi)ヌ剿?，它們對于腸道菌群的改變均有不同程度的貢獻(xiàn)。如何通過基因工程改造，使得更多工程菌產(chǎn)生有益菌群代謝物并避免有害菌群代謝物的蓄積，從而保障宿主健康，是未來菌群與宿主疾病關(guān)聯(lián)研究的全新“指南者”，我們將有更長的路要走。

原文文獻(xiàn)：

Dodd D, Spitzer M H, Treuren W V, et al. A gut bacterial pathway metabolizes aromatic amino acids into nine circulating metabolites[J]. Nature, 2017, 3(10):e00438.

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