Cell Host & Microbe | 朱亦君等揭示肠道微生物参与产生促血栓分子苯乙酰谷氨酰胺的两种不同途径

2022-12-25 15:27:20, BioArt

肠道微生物衍生的代谢物可单独作用或通过参与宿主代谢的途径，从而影响疾病的发生与发展【1-3】。2020年克利夫兰诊所的Stanley Hazen 团队在Cell上首次报道了肠道菌群来源的苯乙酰谷氨酰胺（PAGln）与心血管疾病和重大心脏不良事件（心肌梗塞，中风或死亡）相关。PAGln通过G蛋白耦联受体提高血小板反应性，促进血小板活化，从而增加血栓的风险【4】。但是，人肠道共生菌是如何参与产生PAGln机制仍有限。

2022年12月21日， Stanley Hazen 团队在Cell Host & Microbe上发表题为Two distinct gut microbial pathways contribute to meta-organismal production of phenylacetylglutamine with links to cardiovascular disease的文章。本研究揭示了肠道菌群产生PAGln的两种不同的代谢途径，为今后开发针对肠道微生物的药物奠定了基础。

既往研究已知，肠道微生物代谢饮食中的苯丙氨酸（Phe）产生苯丙酮酸（PPY），之后进一步降解形成苯乙酸（PAA），后者经宿主肝脏酶转化成PAGln。细菌porA基因参与苯丙酮酸至苯乙酸的转化反应。作者以多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron) 作为模式菌株，发现敲除porA后，细菌产PAA的能力并未受影响，只有敲除BT0430后PAA的生成量才会显著下降。进一步生化实验和生物信息分析证明BT0430是一类铁氧还蛋白氧化还原酶，对氧气极度敏感。作者在厌氧条件下体外重组表达BT0430以及BT0429以PPY为底物，通过氧化脱羧反应，与辅酶A结合形成苯乙酰-CoA，后者再由其他反应转化为PAA。作者通过质谱鉴定了反应产物，确认为苯乙酰-CoA，因此将BT0430和BT0429命名为苯丙酮酸：铁氧还蛋白氧化还原酶（PPFOR）。

有意思的是，作者用一种特异铁氧还蛋白氧化还原酶抑制剂硝唑地平（Nitazoxanide，NTZ）喂食小鼠的时候发现，NTZ不能有效抑制苯乙酰甘氨酸（PAGly，PAGln对应小鼠体内代谢物）的产生，小鼠的血浆和尿液中PAA和PAGly并未显著下降，这说明PAA还可经其他途径生成。

作者筛查了一批菌株，发现奇异变形杆菌（Proteus mirabilis) 基因组不含PPFOR或porA，但能够产生PAA。随即用P. mirabilis作为模式菌株，探索其产生PAA的机制。以往研究报道，一种土壤细菌Azospirillum brasilense和酵母具有苯丙酮酸脱羧酶（PPDC），产生PAA。因此作者假设P. mirabilis可能也通过PPDC产生PAA。随即作者通过菌株体内基因敲除，体外蛋白重组表达验证HMPREF0693-2975基因编码PPDC。与PPFOR不同，PPDC对PPY非氧化脱羧，产生苯乙醛，后者经乙醛脱氢酶等作用再形成PAA。

研究者通过人类微生物组计划（HMP）基因组数据库，预测PPFOR和PPDC同源物在人类微生物中的系统发育分布情况，发现PPFOR主要存在于拟杆菌门和厚壁菌门等严格厌氧菌，PPDC主要存在于变形菌门、厚壁菌门和放线菌门等兼性厌氧菌。研究者在有氧和无氧条件下培养健康人粪便中的微生物，发现两者情况下PAA产生量无显著差异，但在辅酶A和MV存在时，PAA产量增加。同时，研究者还用小鼠盲肠内容物进行类似实验，其结果与上述结果保持一致。至此，作者证明肠道共生菌通过PPFOR和PPDC介导的两种两条途径产生PAA。

随后，作者在小鼠模型体内验证PPFOR和PPDC的作用。作者将E.coli MP1 (WT)，E.coli ppfor⁺（表达PPFOR）、P.mirabilis (WT)和P.mirabilis ppdc¯（PPDC敲除）分别定植在无菌小鼠体内，发现在E.coli ppfor⁺和P.mirabilis定植的小鼠血浆和尿液中PAGly含量明显高于无ppfor 或 ppdc的两组。最后，研究者通过分析来自中国的心血管疾病队列粪便宏基因组数据，发现ppfor和ppdc同源基因在肠道中丰度越高，ASCVD的风险就越高。

综上所述，该研究发现在苯丙氨酸代谢过程中，PPY经两条途径向PAA转化：一是经PPFOR催化PPY氧化脱羧生成苯乙酰辅酶A，进而生成PAA；二是经PPDC催化PPY非氧化脱羧生成苯乙醛，进而生成PAA。PAA在肝肾部位与谷氨酰胺结合生成PAGln，后者与ASCVD，中风和死亡有关，这两条代谢途径的发现为开发针对肠道微生物的药物，减少PAGln的产生，降低ASCVD的发生率提供了新策略。

文章第一作者朱亦君博士经中山大学“百人计划”项目引进，已入职中山大学附属第一医院。课题组围绕微生物代谢组学，研究肠道微生物对人体疾病和健康的影响。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(22)00571-6

制版人：十一

参考文献

1.Zmora N, Soffer E, Elinav E. Transforming medicine with the microbiome. Sci Transl Med. 2019 Jan 30;11(477):eaaw1815. doi: 10.1126/scitranslmed.aaw1815.

2.Ursell LK, Haiser HJ, Van Treuren W, Garg N, Reddivari L, Vanamala J, Dorrestein PC, Turnbaugh PJ, Knight R. The intestinal metabolome: an intersection between microbiota and host. Gastroenterology. 2014 May;146(6):1470-6. doi: 10.1053/j.gastro.2014.03.001.

3.Donia MS, Fischbach MA. HUMAN MICROBIOTA. Small molecules from the human microbiota. Science. 2015 Jul 24;349(6246):1254766. doi: 10.1126/science.1254766.

4.Nemet I, Saha PP, Gupta N, Zhu W, Romano KA, Skye SM, Cajka T, Mohan ML, Li L, Wu Y, Funabashi M, Ramer-Tait AE, Naga Prasad SV, Fiehn O, Rey FE, Tang WHW, Fischbach MA, DiDonato JA, Hazen SL. A Cardiovascular Disease-Linked Gut Microbial Metabolite Acts via Adrenergic Receptors. Cell. 2020 Mar 5;180(5):862-877.e22. doi: 10.1016/j.cell.2020.02.016.