目前，中國是全球糖尿病第一大國，2019年我國二型糖尿病患病人數(shù)為1.274億人，在人口老齡化和快速城市化帶來不良的生活方式下，我國糖尿病人口數(shù)量還將明顯增加。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。然而，糞菌移植等靶向整體腸道菌群的干預(yù)措施仍具有成分復(fù)雜、可控性差等局限，腸道菌群調(diào)控代謝性疾病的關(guān)鍵介質(zhì)與作用機(jī)制亟待深入解析用以發(fā)現(xiàn)特異性靶點(diǎn)與干預(yù)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也發(fā)揮著重要作用。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(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心雷曉光教授團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院/北京大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院姜長濤教授團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)第三醫(yī)院/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心喬杰教授團(tuán)隊(duì)、美國國立衛(wèi)生研究院Frank Gonzalez教授團(tuán)隊(duì)、以及首都醫(yī)科大學(xué)朝陽醫(yī)院王廣教授團(tuán)隊(duì)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，菌源二肽基肽酶4（DPP4）是一種重要的同工酶，可以在腸屏障損傷條件下進(jìn)入腸組織，降解宿主活性GLP-1，誘導(dǎo)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(yīng)性個(gè)體差異大的重要原因。進(jìn)一步，通過高通量藥物篩選以及深入的功能驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了首個(gè)對菌源DPP4具有高活性和強(qiáng)選擇性的小分子抑制劑天然產(chǎn)物衍生物Daurisoline-d4，可以通過特異性抑制菌源DPP4，改善糖耐量異常，從而對二型糖尿病具有潛在的治療效果。

圖1. 工作摘要圖

　　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DPP4的菌源同工酶活性在不同個(gè)體中表現(xiàn)出了最強(qiáng)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(guān)代謝紊亂的重要干預(yù)靶點(diǎn)。然而，GLP-1主要由腸組織釋放進(jìn)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(dǎo)的腸屏障受損條件下，菌源DPP4可以進(jìn)入腸組織，顯著降低活性GLP-1水平、誘導(dǎo)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，因此，菌源DPP4可以在腸屏障受損的條件下，進(jìn)入宿主體內(nèi)，跨物種誘導(dǎo)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(dòng)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(xì)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(dǎo)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(chǔ)與作用機(jī)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，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(gè)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(jī)理尚未闡明。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(shí)驗(yàn)及西格列汀與菌源DPP4的共結(jié)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(jìn)一步招募了57名初診2型糖尿病患者進(jìn)行了為期3個(gè)月的西格列汀干預(yù)研究，與此前報(bào)道一致，不同患者對西格列汀干預(yù)的療效具有較大的個(gè)體差異。基于多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析、菌群移植、噬菌體靶向干預(yù)實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)多形擬桿菌產(chǎn)生的btDPP4介導(dǎo)了西格列汀的臨床響應(yīng)性，為西格列汀臨床響應(yīng)性個(gè)體差異提供了分子機(jī)理與作用靶點(diǎn)。

圖2. 臨腸道菌源DPP4影響臨床西格列汀療效

　　上述結(jié)果提示菌源DPP4是2型糖尿病的新型菌源治療靶點(diǎn)。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11萬個(gè)小分子化合物的高通量藥物篩選，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)中藥北豆根中活性成分天然產(chǎn)物蝙蝠葛蘇林堿daurisoline (Dau) 具有最強(qiáng)的菌源DPP4抑制活性，而對宿主DPP4沒有抑制作用。經(jīng)過進(jìn)一步的化合物結(jié)構(gòu)改造與活性評價(jià)，研究人員確定了蝙蝠葛蘇林堿的衍生物Dau-d4是一種強(qiáng)效高選擇性的菌源DPP4抑制劑，并且通過晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。Dau-d4可以通過抑制菌群DPP4來改善糖耐量，同時(shí)，Dau-d4對腸道共生菌的生長與組成則沒有明顯影響，這些結(jié)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3. 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(jī)制與靶向干預(yù)研究不僅是代謝性疾病研究的重要方向，同時(shí)也是腸道菌群領(lǐng)域進(jìn)入精準(zhǔn)化、靶向性研究階段的關(guān)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(chǔ)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(gòu)建了“靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)—機(jī)制驗(yàn)證—藥物篩選—療效驗(yàn)證”的全鏈條研究體系，為后續(xù)基礎(chǔ)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(shí)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(zhǔn)化治療帶來新的突破。

　　姜長濤教授、喬杰教授、雷曉光教授、Frank Gonzalez教授與王廣教授為本文的共同通訊作者。北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士后汪鍇、北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士生張志威、北京大學(xué)第三醫(yī)院杭婧副研究員、首都醫(yī)科大學(xué)朝陽醫(yī)院劉佳教授以及北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士后郭富生為本文的共同第一作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金，國家科技部重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃，北京市“卓越青年科學(xué)家計(jì)劃”，北京分子科學(xué)國家研究中心、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心等多個(gè)國家重大科研項(xiàng)目和研究機(jī)構(gòu)的資助。

　　原文鏈接：http://doi.org/10.1126/science.add5787
 

文字/圖片：雷曉光課題組
排版：高楊
審核：李玲，彭海琳

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