Nat Microbiol | 宏蛋白组学揭示普通拟杆菌蛋白酶是UC的潜在治疗靶点

2022-12-05 10:18:09, 西湖欧米wOmics 西湖欧米（杭州）生物科技有限公司

图1. 文章标题

实验样本及设计

（1）研究队列：

队列1：40名 UC 患者；
队列2：73名 UC 患者、117名克罗恩病（Crohn''s disease, CD）患者、20名健康对照。

（2）样本类型：粪便样本和血清样本；

（3）组学方法：宏蛋白组学、宏基因组测序、16S测序、代谢组学、血清蛋白组学和宏肽组学。

图2. 本研究实验设计示意图

文章结果

宏组学数据与 IBD 严重程度的关联

虽然该研究选用的队列人群来自不同的患者群体，但许多临床严重程度相关的指标显示出高度的相关性。因此，选择了‘partial Mayo’作为 UC 患者临床活动性的代表性指标。临床指标与多组学数据结合分析显示，疾病严重程度与肠道菌群的 α-多样性和 β-多样性都具有显著相关性。

图3. 组学多样性与 IBD 疾病活动度相关

该研究团队进一步分析发现，宏蛋白组学的数据能够最好的预测 UC 活性，其次是多组学整合的数据和代谢组学的数据。同时，在活动性 UC 患者中，还观察到了人源蛋白质增加，以及与活动性相关的代谢物类别。

图4. IBD 疾病活动性相关的多组学分析

综合宏基因组-宏蛋白质组学分析

揭示了拟杆菌蛋白酶区分活动性

UC患者亚群

该研究团队利用线性回归模型确定了与临床疾病严重程度最相关的多组学数据特征。从关联的菌属中发现拟杆菌蛋白水平占与 UC 疾病活性正相关蛋白的40%-60%，这一关联性在两个 UC 队列中得到证实，并且是 UC 患者人群中独有的特征。进一步的蛋白功能分析发现，酶家族的比率很高，其中 B. vulgatus 和 B. dorei 蛋白酶占所有拟杆菌蛋白酶总量的40%。该研究团队采用一种异常值方法，将 B. vulgatus 和 B. dorei 宏基因组丰度与来自 B. vulgatus 和 B. dorei 蛋白酶的总蛋白丰度进行比较，以确定存在高于或低于宏基因组学预期蛋白酶存在的 UC 患者组。因此推测这些蛋白酶在胞外蛋白水解和疾病活动加剧中发挥作用。

图5. 拟杆菌蛋白酶区分活动性溃疡性结肠炎患者亚群

蛋白酶抑制可防止 B. vulgatus 在

体外和体内诱导的结肠上皮损伤

接下来，研究团队使用结肠上皮细胞系 Caco-2 制备单层细胞膜测试了 UC 中六种最丰富的拟杆菌对肠道屏障的影响。结果表明，两种最丰富的拟杆菌属物种（B. vulgatus 和 B.dorei）孵育38小时后，跨上皮细胞电阻（TEER）显著降低。考虑到 B. vulgatus 在 UC 肠道微生物群比健康肠道微生物群中的丰度更高，因此被选择进行重点研究。接下来，通过添加丝氨酸和半胱氨酸蛋白酶的蛋白酶抑制剂混合物来评估蛋白酶活性对上皮通透性破坏的贡献。结果发现，在接种 B. vulgatus 后22小时和38小时，蛋白酶抑制剂显著增加 TEER，且使用或不使用蛋白酶抑制剂混合物处理的 B. vulgatus 集落形成没有显著差异。进一步实验发现 B. vulgatus 上清液对 TEER 没有显著影响，表明目标蛋白酶是膜结合的或者其分泌需要应激源（例如，宿主-微生物相互作用或营养剥夺）的刺激。

为了研究 B. vulgatus 蛋白酶在体内的作用，该研究团队在 IL10^-/-无菌小鼠模型中进行了单定植，定植10周后，蛋白酶抑制对结肠上皮具有保护作用，减少隐窝的炎性细胞浸润。蛋白酶抑制剂治疗显著改善组织学结肠炎严重程度，同时显著减少 B. vulgatus 诱导的隐窝增生。

图6. 蛋白酶抑制可防止 B. vulgatus 和粪便移植诱导的体外和体内病理改变

UC患者粪便中存在的 B. vulgatus

蛋白酶移植到无菌小鼠促进UC的发展

接下来，为了评估 UC 患者中高水平的 B. vulgatus 蛋白酶的存在对肠道炎症发展的影响程度。将 UC 患者（含有或不含有高水平 B. vulgatus 蛋白酶）的粪便移植到易患结肠炎的 IL10^-/-无菌小鼠。这些小鼠中有一半通过饮用水给予蛋白酶抑制剂混合物（n = 9）。给予富含蛋白酶的粪便样品的小鼠显示出 UC 相关的病理指标，而这些表型在移植缺乏 B. vulgatus 蛋白酶的 UC 患者粪便的小鼠中并不明显。同时，蛋白酶抑制剂混合物显著减轻了移植蛋白酶丰富的粪便样品的小鼠表现出的结肠炎。因此建议蛋白酶抑制作为重度 UC 的治疗干预手段。