代謝性疾病是一組表征復雜的代謝紊亂癥候群，包括肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪性肝病以及心腦血管疾病等。目前，代謝性疾病患者占全國慢性疾病的一半以上，已成為制約國民健康以及預期壽命的重要因素。其干預策略亟待突破【1】。腸道微生物作為連接人體內(nèi)外環(huán)境的橋梁，已被證明在多種人類代謝性疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用【2-5】。然而，糞菌移植等靶向整體腸道菌群的干預措施仍具有成分復雜、可控性差等局限【6】，腸道菌群調(diào)控代謝性疾病的關鍵介質(zhì)與作用機制亟待深入解析，以發(fā)現(xiàn)特異性靶點與干預措施。

腸道共生菌的各種酶在代謝產(chǎn)物的生成及代謝過程中發(fā)揮重要作用。此外，腸道菌源酶還具有多種非代謝產(chǎn)物依賴的功能，但它們在宿主代謝性疾病中的作用尚不清晰。

北京大學醫(yī)學部基礎醫(yī)學院/北京大學第三醫(yī)院醫(yī)學創(chuàng)新研究院姜長濤教授團隊、北京大學第三醫(yī)院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心喬杰院士團隊、北京大學化學學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心雷曉光團隊、美國國立衛(wèi)生研究院Frank Gonzalez團隊以及首都醫(yī)科大學朝陽醫(yī)院王廣團隊合作，于2023年8月4日在Science雜志在線發(fā)表了題為Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target的研究論文，首次提出了腸道菌源宿主同工酶（Microbial-host-isozyme，MHI）新概念，發(fā)現(xiàn)菌源宿主同工酶在腸道中的廣泛存在，可以模擬宿主酶的功能，并參與疾病的發(fā)生發(fā)展。其中，菌源DPP4是一種重要的同工酶，可以在腸屏障損傷條件下進入腸組織，降解宿主活性GLP-1，誘導糖耐量異常。宿主DPP4抑制劑西格列汀無法有效抑制菌源DPP4活性，是西格列汀臨床治療響應性個體差異大的重要原因。進一步，通過高通量藥物篩選以及深入的功能驗證，研究團隊發(fā)現(xiàn)了首個對菌源DPP4具有高活性和強選擇性的小分子抑制劑Daurisoline-d4，可以通過特異性抑制菌源DPP4，改善糖耐量異常。

長期以來，姜長濤教授團隊致力于代謝性疾病的發(fā)病機制與轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究，重點聚焦腸道菌群介導的器官間對話。團隊以腸道菌群產(chǎn)生的多種代謝酶為切入點及潛在干預靶點，首次發(fā)現(xiàn)吸煙期間尼古丁在腸道大量的蓄積以及腸道共生菌對尼古丁的降解作用（Nature | 姜長濤/虞朝輝/李洋/鄭明華等發(fā)現(xiàn)人類腸道菌降解尼古丁，改善吸煙加重的非酒精性脂肪肝炎），提出腸道共生菌通過尼古丁降解酶NicX改善代謝性疾病的新干預策略，進一步闡明了腸道尼古丁通過腸AMPK—神經(jīng)酰胺軸加重脂肪性肝炎（NASH）的全新機制（Nature 2022）；揭示了腸道菌群通過多種膽汁酸代謝酶生成GUDCA、GDCA、HCA等膽汁酸，介導菌群—器官互作，改善代謝性疾病，靶向膽汁酸代謝酶，能夠改善代謝性疾病（Nat Med. 2018, 2019; Cell Metab. 2021a; J Clin Invest. 2021）；發(fā)現(xiàn)了宿主基因—腸道菌群—宿主代謝交互調(diào)控的新范式，闡明了宿主腸缺氧誘導因子2α（HIF-2α）通過乳酸誘導腸道普通擬桿菌與扭鏈瘤胃球菌比例失衡，從而調(diào)控菌群膽汁酸代謝酶，擾亂膽汁酸穩(wěn)態(tài)，抑制脂肪產(chǎn)熱的新機制（Cell Metab. 2021b）?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，姜長濤教授團隊提出了“代謝性疾病腸治”的新理論，揭示腸道菌群代謝物膽汁酸、尼古丁、神經(jīng)酰胺是介導器官間對話的關鍵介質(zhì)，闡明BSH、NicX等多個代謝性疾病干預的菌源新靶標。

除了能夠產(chǎn)生特異性代謝酶外，在進一步的工作中，研究團隊敏銳察覺到，腸道菌群在與宿主長期共進化的過程中，還可能存在一些酶發(fā)揮著和宿主酶相同的催化功能（菌源宿主同工酶）。然而，菌源宿主同工酶是否廣泛存在？能否跨物種調(diào)控宿主代謝性疾??？可否作為針對代謝性疾病藥物篩選的新靶點？目前這些問題尚未有研究。同時，由于腸道共生菌在分類與進化上的復雜性，與宿主相同功能的酶往往具有較低的同源性，使得傳統(tǒng)的宏基因組、宏蛋白組等基于序列的組學方法在挖掘腸道共生菌源宿主同工酶的應用上具有一定局限性。因此，開發(fā)新方法、構建新體系對于腸道共生菌同工酶的發(fā)掘與功能評價具有重要意義。

研究團隊基于110種已經(jīng)報道的宿主重要疾病靶點酶，建立了一套完整的菌源宿主同工酶挖掘與評價體系。該體系基于穩(wěn)定模擬宿主糞便菌群組成的體外反應體系及不同酶活特異性檢測方法，能夠靈敏檢測復雜菌群環(huán)境中的目標酶活性。利用該系統(tǒng)，研究人員評估了健康志愿者糞便群菌群培養(yǎng)物中的菌源宿主同工酶活性，發(fā)現(xiàn)有71種酶在腸道菌群中存在同工酶，這些酶種類多樣、功能全面，提示菌源宿主同工酶在腸道中廣泛存在，可能有效模擬宿主酶的功能。

圖1. 腸道菌源宿主同工酶挖掘體系

在評估菌源宿主同工酶活性的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)宿主二肽基肽酶4（DPP4）的菌源同工酶活性在不同個體中表現(xiàn)出了最強的穩(wěn)定性和普遍性。DPP4是一種絲氨酸水解酶，宿主DPP4可以通過水解并失活胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）等胃腸道多肽類激素，發(fā)揮調(diào)控胰島素分泌等多種生理功能，是2型糖尿病及其相關代謝紊亂的重要干預靶點【7】。然而，GLP-1主要由腸組織釋放進入循環(huán)，而腸道菌群產(chǎn)生的蛋白類物質(zhì)主要聚集于腸腔，那么，菌源DPP4是否可以接觸宿主GLP-1，發(fā)揮宿主DPP4類似的病生理功能？研究人員發(fā)現(xiàn)在長期高脂飲食處理、低濃度葡聚糖硫酸鈉（DSS）、吲哚美辛等誘導的腸屏障受損條件下，菌源DPP4可以進入腸組織，顯著降低活性GLP-1水平、誘導糖耐量異常。腸屏障損傷是包括2型糖尿病在內(nèi)的多種代謝性疾病的共同病理特征【8, 9】，因此，菌源DPP4可以在腸屏障受損的條件下，進入宿主體內(nèi)，跨物種誘導糖耐量異常。通過腸道共生菌株的分離培養(yǎng)、DPP4活性檢測、基于CRISPR-Cas系統(tǒng)的厭氧菌基因敲除體系以及多種動物模型，研究人員發(fā)現(xiàn)了多形擬桿菌、普通擬桿菌等多種擬桿菌屬細菌均具有菌源DPP4活性，并鑒定了菌源DPP4的編碼基因。多形擬桿菌可以以菌源DPP4依賴的方式降低宿主活性GLP-1水平，誘導高脂飲食小鼠糖耐量異常。以上發(fā)現(xiàn)揭示了腸道菌群影響代謝性疾病的全新病理基礎與作用機制。

DPP4抑制劑西格列汀在臨床上廣泛用于2型糖尿病的治療【10】，是2021年全球銷量第二的抗糖尿病小分子藥物。然而，西格列汀的治療效果具有較大的個體差異，臨床研究發(fā)現(xiàn)，西格列汀對約40%的患者無法發(fā)揮有效降糖作用，其機理尚未闡明【12】。菌源DPP4是否有可能在其中發(fā)揮了一定作用？利用酶活抑制實驗及西格列汀與菌源DPP4的共結晶分析，研究人員發(fā)現(xiàn)目前西格列汀等針對人DPP4開發(fā)的治療藥物對菌源DPP4的抑制作用較弱。研究人員進一步招募了57名初診2型糖尿病患者進行了為期3個月的西格列汀干預研究，與此前報道一致，不同患者對西格列汀干預的療效具有較大的個體差異?；诙嘟M學關聯(lián)分析、菌群移植、噬菌體靶向干預實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)多形擬桿菌產(chǎn)生的btDPP4介導了西格列汀的臨床響應性，為西格列汀臨床響應性個體差異的提供了分子機理與作用靶點。

圖2. 臨腸道菌源DPP4影響臨床西格列汀療效

上述結果提示菌源DPP4是2型糖尿病的新型菌源治療靶點。因此，研究人員建立了靶向菌源DPP4的高通量藥物篩選體系，通過對約107,000個小分子化合物的高通量篩選，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)中藥北豆根中活性成分蝙蝠葛蘇林堿具有最強的菌源DPP4抑制活性，而對宿主DPP4沒有抑制作用。經(jīng)過進一步的結構改造與活性評價，研究人員確定了蝙蝠葛蘇林堿的衍生物Dau-d4是一種強效高選擇性的菌源DPP4抑制劑，并且通過晶體結構解析揭示了Dau-d4特異性地抑制菌源DPP4而對宿主DPP4無抑制作用的結構基礎。Dau-d4可以通過抑制菌群DPP4來改善糖耐量，同時，Dau-d4對腸道共生菌的生長與組成則沒有明顯影響，這些結果表明，Dau-d4可以在不干擾菌群整體功能的條件下，特異性靶向菌源DPP4，有效改善小鼠糖代謝紊亂。

圖4. 高通量篩選發(fā)現(xiàn)菌源DPP4特異性抑制劑

腸道菌群調(diào)控代謝性疾病的分子機制與靶向干預研究不僅是代謝性疾病研究的重要方向，同時也是腸道菌群領域進入精準化、靶向性研究階段的關鍵環(huán)節(jié)，本工作提出了腸道菌源宿主同工酶全新概念，以此為基礎探索了菌源宿主同工酶在代謝性疾病的發(fā)病及治療過程中的重要作用，并構建了“靶點發(fā)現(xiàn)—機制驗證—藥物篩選—療效驗證”的全鏈條研究體系，為后續(xù)基礎研究與臨床治療提供了新的研究思路與方向。解析腸道菌源酶的功能和在代謝性疾病中的作用，有望實現(xiàn)特異性調(diào)控菌株功能且不影響菌群組成，從而為靶向腸道菌群的代謝性疾病精準化治療帶來新的突破。

值得一提的是，在與本工作同期發(fā)表的工作中【13】，來自斯坦福大學的研究人員從菌源蛋白酶角度出發(fā)，利用化學蛋白質(zhì)組學和生物信息學結合的方法策略，鑒定了多形擬桿菌內(nèi)的多種絲氨酸水解酶，并進一步通過活性驗證與晶體學結構對比，也同樣發(fā)現(xiàn)和表征了多形擬桿菌的DPP4蛋白。在功能上，本工作主要探究了菌源DPP4對宿主的作用，而他們主要評估了多形擬桿菌DPP4在自身包膜完整性及抗逆性方面的作用,是對本工作的一項重要補充。兩項工作從共生菌及宿主兩個角度共同揭示了菌源DPP4的重要作用，菌源DPP4對腸道微生態(tài)及宿主的影響仍有待進一步系統(tǒng)挖掘。

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網(wǎng)址: Science丨喬杰/雷曉光與合作者報道腸道菌群調(diào)控代謝性疾病的新角色——菌源宿主同工酶 http://www.u1s5d6.cn/newsview257780.html