Science丨乔杰/雷晓光与合作者报道肠道菌群调控代谢性疾病的新角色——菌源宿主同工酶

代谢性疾病是一组表征复杂的代谢紊乱症候群，包括肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪性肝病以及心脑血管疾病等。目前，代谢性疾病患者占全国慢性疾病的一半以上，已成为制约国民健康以及预期寿命的重要因素。其干预策略亟待突破【1】。肠道微生物作为连接人体内外环境的桥梁，已被证明在多种人类代谢性疾病发生发展中发挥重要作用【2-5】。然而，粪菌移植等靶向整体肠道菌群的干预措施仍具有成分复杂、可控性差等局限【6】，肠道菌群调控代谢性疾病的关键介质与作用机制亟待深入解析，以发现特异性靶点与干预措施。

肠道共生菌的各种酶在代谢产物的生成及代谢过程中发挥重要作用。此外，肠道菌源酶还具有多种非代谢产物依赖的功能，但它们在宿主代谢性疾病中的作用尚不清晰。

北京大学医学部基础医学院/北京大学第三医院医学创新研究院姜长涛教授团队、北京大学第三医院、北大-清华生命科学联合中心乔杰院士团队、北京大学化学学院、北大-清华生命科学联合中心雷晓光团队、美国国立卫生研究院Frank Gonzalez团队以及首都医科大学朝阳医院王广团队合作，于2023年8月4日在Science杂志在线发表了题为Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target的研究论文，首次提出了肠道菌源宿主同工酶（Microbial-host-isozyme，MHI）新概念，发现菌源宿主同工酶在肠道中的广泛存在，可以模拟宿主酶的功能，并参与疾病的发生发展。其中，菌源DPP4是一种重要的同工酶，可以在肠屏障损伤条件下进入肠组织，降解宿主活性GLP-1，诱导糖耐量异常。宿主DPP4抑制剂西格列汀无法有效抑制菌源DPP4活性，是西格列汀临床治疗响应性个体差异大的重要原因。进一步，通过高通量药物筛选以及深入的功能验证，研究团队发现了首个对菌源DPP4具有高活性和强选择性的小分子抑制剂Daurisoline-d4，可以通过特异性抑制菌源DPP4，改善糖耐量异常。

长期以来，姜长涛教授团队致力于代谢性疾病的发病机制与转化医学研究，重点聚焦肠道菌群介导的器官间对话。团队以肠道菌群产生的多种代谢酶为切入点及潜在干预靶点，首次发现吸烟期间尼古丁在肠道大量的蓄积以及肠道共生菌对尼古丁的降解作用（Nature | 姜长涛/虞朝辉/李洋/郑明华等发现人类肠道菌降解尼古丁，改善吸烟加重的非酒精性脂肪肝炎），提出肠道共生菌通过尼古丁降解酶NicX改善代谢性疾病的新干预策略，进一步阐明了肠道尼古丁通过肠AMPK—神经酰胺轴加重脂肪性肝炎（NASH）的全新机制（Nature 2022）；揭示了肠道菌群通过多种胆汁酸代谢酶生成GUDCA、GDCA、HCA等胆汁酸，介导菌群—器官互作，改善代谢性疾病，靶向胆汁酸代谢酶，能够改善代谢性疾病（Nat Med. 2018, 2019; Cell Metab. 2021a; J Clin Invest. 2021）；发现了宿主基因—肠道菌群—宿主代谢交互调控的新范式，阐明了宿主肠缺氧诱导因子2α（HIF-2α）通过乳酸诱导肠道普通拟杆菌与扭链瘤胃球菌比例失衡，从而调控菌群胆汁酸代谢酶，扰乱胆汁酸稳态，抑制脂肪产热的新机制（Cell Metab. 2021b）。基于以上发现，姜长涛教授团队提出了“代谢性疾病肠治”的新理论，揭示肠道菌群代谢物胆汁酸、尼古丁、神经酰胺是介导器官间对话的关键介质，阐明BSH、NicX等多个代谢性疾病干预的菌源新靶标。

除了能够产生特异性代谢酶外，在进一步的工作中，研究团队敏锐察觉到，肠道菌群在与宿主长期共进化的过程中，还可能存在一些酶发挥着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广泛存在？能否跨物种调控宿主代谢性疾病？可否作为针对代谢性疾病药物筛选的新靶点？目前这些问题尚未有研究。同时，由于肠道共生菌在分类与进化上的复杂性，与宿主相同功能的酶往往具有较低的同源性，使得传统的宏基因组、宏蛋白组等基于序列的组学方法在挖掘肠道共生菌源宿主同工酶的应用上具有一定局限性。因此，开发新方法、构建新体系对于肠道共生菌同工酶的发掘与功能评价具有重要意义。

研究团队基于110种已经报道的宿主重要疾病靶点酶，建立了一套完整的菌源宿主同工酶挖掘与评价体系。该体系基于稳定模拟宿主粪便菌群组成的体外反应体系及不同酶活特异性检测方法，能够灵敏检测复杂菌群环境中的目标酶活性。利用该系统，研究人员评估了健康志愿者粪便群菌群培养物中的菌源宿主同工酶活性，发现有71种酶在肠道菌群中存在同工酶，这些酶种类多样、功能全面，提示菌源宿主同工酶在肠道中广泛存在，可能有效模拟宿主酶的功能。

图1. 肠道菌源宿主同工酶挖掘体系

在评估菌源宿主同工酶活性的过程中，研究人员发现宿主二肽基肽酶4（DPP4）的菌源同工酶活性在不同个体中表现出了最强的稳定性和普遍性。DPP4是一种丝氨酸水解酶，宿主DPP4可以通过水解并失活胰高血糖素样肽-1（GLP-1）等胃肠道多肽类激素，发挥调控胰岛素分泌等多种生理功能，是2型糖尿病及其相关代谢紊乱的重要干预靶点【7】。然而，GLP-1主要由肠组织释放进入循环，而肠道菌群产生的蛋白类物质主要聚集于肠腔，那么，菌源DPP4是否可以接触宿主GLP-1，发挥宿主DPP4类似的病生理功能？研究人员发现在长期高脂饮食处理、低浓度葡聚糖硫酸钠（DSS）、吲哚美辛等诱导的肠屏障受损条件下，菌源DPP4可以进入肠组织，显著降低活性GLP-1水平、诱导糖耐量异常。肠屏障损伤是包括2型糖尿病在内的多种代谢性疾病的共同病理特征【8, 9】，因此，菌源DPP4可以在肠屏障受损的条件下，进入宿主体内，跨物种诱导糖耐量异常。通过肠道共生菌株的分离培养、DPP4活性检测、基于CRISPR-Cas系统的厌氧菌基因敲除体系以及多种动物模型，研究人员发现了多形拟杆菌、普通拟杆菌等多种拟杆菌属细菌均具有菌源DPP4活性，并鉴定了菌源DPP4的编码基因。多形拟杆菌可以以菌源DPP4依赖的方式降低宿主活性GLP-1水平，诱导高脂饮食小鼠糖耐量异常。以上发现揭示了肠道菌群影响代谢性疾病的全新病理基础与作用机制。

DPP4抑制剂西格列汀在临床上广泛用于2型糖尿病的治疗【10】，是2021年全球销量第二的抗糖尿病小分子药物。然而，西格列汀的治疗效果具有较大的个体差异，临床研究发现，西格列汀对约40%的患者无法发挥有效降糖作用，其机理尚未阐明【12】。菌源DPP4是否有可能在其中发挥了一定作用？利用酶活抑制实验及西格列汀与菌源DPP4的共结晶分析，研究人员发现目前西格列汀等针对人DPP4开发的治疗药物对菌源DPP4的抑制作用较弱。研究人员进一步招募了57名初诊2型糖尿病患者进行了为期3个月的西格列汀干预研究，与此前报道一致，不同患者对西格列汀干预的疗效具有较大的个体差异。基于多组学关联分析、菌群移植、噬菌体靶向干预实验，研究人员发现多形拟杆菌产生的btDPP4介导了西格列汀的临床响应性，为西格列汀临床响应性个体差异的提供了分子机理与作用靶点。

图2. 临肠道菌源DPP4影响临床西格列汀疗效

上述结果提示菌源DPP4是2型糖尿病的新型菌源治疗靶点。因此，研究人员建立了靶向菌源DPP4的高通量药物筛选体系，通过对约107,000个小分子化合物的高通量筛选，发现了传统中药北豆根中活性成分蝙蝠葛苏林碱具有最强的菌源DPP4抑制活性，而对宿主DPP4没有抑制作用。经过进一步的结构改造与活性评价，研究人员确定了蝙蝠葛苏林碱的衍生物Dau-d4是一种强效高选择性的菌源DPP4抑制剂，并且通过晶体结构解析揭示了Dau-d4特异性地抑制菌源DPP4而对宿主DPP4无抑制作用的结构基础。Dau-d4可以通过抑制菌群DPP4来改善糖耐量，同时，Dau-d4对肠道共生菌的生长与组成则没有明显影响，这些结果表明，Dau-d4可以在不干扰菌群整体功能的条件下，特异性靶向菌源DPP4，有效改善小鼠糖代谢紊乱。

图4. 高通量筛选发现菌源DPP4特异性抑制剂

肠道菌群调控代谢性疾病的分子机制与靶向干预研究不仅是代谢性疾病研究的重要方向，同时也是肠道菌群领域进入精准化、靶向性研究阶段的关键环节，本工作提出了肠道菌源宿主同工酶全新概念，以此为基础探索了菌源宿主同工酶在代谢性疾病的发病及治疗过程中的重要作用，并构建了“靶点发现—机制验证—药物筛选—疗效验证”的全链条研究体系，为后续基础研究与临床治疗提供了新的研究思路与方向。解析肠道菌源酶的功能和在代谢性疾病中的作用，有望实现特异性调控菌株功能且不影响菌群组成，从而为靶向肠道菌群的代谢性疾病精准化治疗带来新的突破。

值得一提的是，在与本工作同期发表的工作中【13】，来自斯坦福大学的研究人员从菌源蛋白酶角度出发，利用化学蛋白质组学和生物信息学结合的方法策略，鉴定了多形拟杆菌内的多种丝氨酸水解酶，并进一步通过活性验证与晶体学结构对比，也同样发现和表征了多形拟杆菌的DPP4蛋白。在功能上，本工作主要探究了菌源DPP4对宿主的作用，而他们主要评估了多形拟杆菌DPP4在自身包膜完整性及抗逆性方面的作用,是对本工作的一项重要补充。两项工作从共生菌及宿主两个角度共同揭示了菌源DPP4的重要作用，菌源DPP4对肠道微生态及宿主的影响仍有待进一步系统挖掘。

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