Nature：通过基因操纵肠道“君”调节菌群代谢物IPA影响宿主健康
内容导读
近些年研究已证实肠道微生物组成的变化与宿主生理学和人类疾病存在密切关联，芳香族氨基酸（AAA）通过肠道共生梭状芽孢杆菌（Clostridium sporogenes）代谢产生小分子代谢物吲哚丙酸（IPA）并在宿主血液中积累，且基因操纵C. sporogenes菌调节这些代谢物在无菌小鼠的血清水平，能反过来影响肠道通透性和全身免疫。然而我们对于微生物-宿主相互作用的分子机制却知之甚少，目前，建立微生物菌群代谢与宿主之间的联系及最终的干预治疗方式面临三大核心挑战：
如何描述菌群代谢物的生物活性，以及与疾病的相关性；
确定其代谢途径，实现从测序数据预测代谢产物；
通过基因工程和综合生态学结合调控肠道菌群的代谢输出。
为探究C.sporogenes菌产生AAA代谢产物的关键代谢通路，并阐述肠道菌群影响宿主健康的机理，斯坦福大学医学院JustinL. Sonnenburg研究团队采用遗传学和代谢组学技术对其进行了深入的研究。
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作者先试图找出厚壁菌门（Firmicutes）的C. sporogenes菌产生IPA的代谢途径。研究表明C. sporogenes和Clostridium botulinum可以利用色氨酸代谢产生IPA，同时可以将苯丙氨酸和酪氨酸代谢成相应的丙酸衍生物[苯丙酸(PPA)和4-羟基苯丙酸(4-OH-PPA)]，作者假设IPA可能来源于类似PPA的代谢途径，因此需要旁系同源脱水酶来催化这个化学反应。通过C.sporogenes基因组的计算搜索，未能鉴定密切相关的脱水酶，推测苯基乳酸脱水酶(FldABC)本身可能参与IPA产生，FldABC的表达基因是C.sporogenes染色体中15kb基因簇的一部分,选择性插入ClosTron盒破坏FldABC的fldC亚基对C.sporogenes菌的影响，通过LC–MS/MS检测野生型和突变型细胞培养基中相关代谢物浓度（IPA、PPA、4-OH-PPA等），结果显示fldC对于所有三种芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）的还原代谢是必不可少的，并为共有的还原途径提供遗传证据。
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C. sporogenes菌是目前已知产生IPA的唯一肠道细菌。但其他肠道菌群是否存在代谢产生IPA的生物功能呢？他们为了验证这一问题，从人类微生物组计划（HMP）中获得了40个细菌（主要为厚壁菌门）分离株进行检测分析，36个在RCM（reinforced clostridial medium）中生长，其中31个显示检测不到芳基丙酸盐，其他5个可检测到芳基丙酸盐，进而鉴定出产生IPA的四株新菌群(P. anaerobius , C. botulinum, C. difficile, C. cadaveris)，结果表明与FldABC基因簇同源的存在是产生IPA的细菌的可靠标记，可见C. sporogenes菌并非产生IPA的唯一肠道菌。
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对于AAA代谢途径，作者构建四个突变体（porA，fldH，acdA，fldZ）并假设它们在氧化或还原AAA代谢中具有作用。
研究结果显示：
fldH，fldC和acdA是所有三种AAA还原代谢所必需的;
porA对苯丙氨酸和酪氨酸的氧化代谢很重要，但不参与色氨酸的氧化;
fldZ可能不参与AAA还原代谢过程。
这些突变体在定植动物中是否可以调控宿主代谢物水平？使用野生型以及fldC突变芽孢杆菌菌株定植小鼠，发现四周后检测血清中色氨酸代谢物，野生型定植的小鼠血清中的IPA约为80μM，而fldC定植的小鼠血清中未检测到IPA，表明肠共生的基因操作可以调控血清中菌群代谢物水平，而这些代谢物可能对宿主生理状态的调节具有重要作用。
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活生孢梭菌的定植以PXR依赖性方式降低肠渗透性，并且IPA被认为是该过程的主要分子开关，假设调节IPA水平会改变宿主免疫。研究人员采用流式细胞术检测外周血中的免疫细胞，结果显示fldC突变体定植的动物中嗜中性粒细胞、Ly6C +单核细胞、记忆T细胞（CD4 +和CD8 +）水平显著增加。进一步使用ELISA测定血清IgG和盲肠IgA，结果显示IPA缺陷的fldC突变体定殖小鼠中的生孢梭菌特异性IgG和分泌到肠腔中的IgA显著增加，表明通过改变菌群代谢物水平可以激活宿主免疫，并诱导细菌特异性体液免疫发生普遍变化。
那C. sporogenes在更复杂的菌群环境中其代谢过程是否会发生变化呢？特殊的菌群环境是由不产生IPA代谢物的7种菌群组成，定植五周后野生型定植的小鼠血清中的IPA约为5μM，盲肠内容物IPA约为65pmol/mg，但在fldC定植的小鼠中未检测到IPA，表明在更为复杂的群落中IPA浓度依赖于生孢梭菌并需要完整的fldC基因。进一步测试IPA水平升高是否与肠道通透性降低相对应，相比于野生型，fldC定植的小鼠表现出显著增加的对FITC-葡聚糖的渗透性，其结果与IPA通过PXR信号传导以强化肠屏障的模型一致。
C. sporogenes 参与AAA还原代谢途径可以产生12种代谢物，其中9种代谢物进入宿主血浆中，至少3种代谢物只能通过菌群产生，高丰度细菌衍生代谢物的水平可以通过基因改造肠道细菌被调节，从而影响宿主的生理机能。
IPA只是冰山一角，还有胆汁酸、短链脂肪酸、氨基酸、苯甲酰和苯基衍生物、吲哚衍生物、脂类、胆碱、酚类、脂类、维生素、激素以及多胺等更多类别的菌群宿主共代谢物有待我们去探索，它们对于肠道菌群的改变均有不同程度的贡献。如何通过基因工程改造，使得更多工程菌产生有益菌群代谢物并避免有害菌群代谢物的蓄积，从而保障宿主健康，是未来菌群与宿主疾病关联研究的全新“指南者”，我们将有更长的路要走。
原文文献：
Dodd D, Spitzer M H, Treuren W V, et al. A gut bacterial pathway metabolizes aromatic amino acids into nine circulating metabolites[J]. Nature, 2017, 3(10):e00438.
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网址: Nature：通过基因操纵肠道“君”调节菌群代谢物IPA影响宿主健康 https://m.trfsz.com/newsview510620.html
