世界生命科学大会 氢思云 2024-06-01 08:22
图1
INTRODUCTION
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研究介绍
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研究背景
Background
肠道细菌因其直接影响宿主生理，在人类健康和疾病中发挥重要作用，一直是生命科学研究的热门领域。最近的研究表明，肠道细菌组成、宿主表型和与性和应激相关的类固醇激素水平之间存在相关性。但肠道细菌化学修饰类固醇的方式以及由此产生的代谢物如何影响宿主健康仍不清楚。
近日，哈佛医学院A. Sloan Devlin等人在《Cell》发表论文《Gut bacteria convert glucocorticoids into progestins in the presence of hydrogen gas》。表明肠道细菌产生的主要气体氢气（H2）可以促进肠道微生物组的高度还原性代谢和次生代谢物的产生，揭示了肠道细菌将一类宿主产生的类固醇转化为另一类具有不同生物学功能的类固醇的机制。（图1）
研究意义
Significance
此次研究重点是糖皮质激素转化为孕激素的肠道细菌。先前已有报告表明，肠道中黄体酮的形成依赖于微生物群。研究人员探究了肠道微生物群如何进行还原性21-去羟基化并将人胆汁中丰富的糖皮质激素(特别是THDOC)转化为黄体酮，特别是四氢黄体酮(THPs)。发现人类肠道细菌Gordonibacter pamelaeae 和 Eggerthella lenta将3α5αTHDOC转化为THPs。还发现氢气的产生是促进21-去羟基化的必要和充分条件。
研究人员使用比较基因组学以及同源和异源表达来鉴定THP产生菌株中的一个基因簇，该基因簇在体外和体内共同定殖GF小鼠中负责21-去羟基化活性。此外，发现含有该基因簇的细菌在妊娠后期升高。总之，这些研究揭示了肠道细菌转化类固醇的机制。为未来研究细菌孕激素产生如何影响宿主生理，特别是在怀孕期间和怀孕后的工作奠定了基础。（图2）
图2
METHODS
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研究方法
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本文综合运用了细菌培养、分析化学、基因组学、转基因表达、动物实验和统计分析等多种方法，系统地研究了肠道细菌将皮质醇转化为孕激素的机制。
RESULTS
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研究结果
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一、
THPs的产生与富集
研究人员开发了一种基于超高效液相色谱(UHPLC)的UHPLC-MS/MS串联质谱方法。该方法能够分离皮质激素和黄体酮异构体，可以在生物样品中分别定量THDOC和THP异构体。
SPF雄性小鼠对比发现，GF雌性小鼠粪便中THPs的总水平显著降低。通过对人胆汁进行靶向皮质激素谱分析，从平均浓度推测，3α5αTHDOC可能通过21-去羟化转化为孕激素3α5αTHP或异孕酮。
为了验证肠道细菌是否能将3α5αTHDOC转化为THPs，研究人员分别用小鼠和人的相关粪便样本与3α5αTHDOC共培养，结果表明，小鼠和人类肠道细菌都可以21-去羟基化3α5αTHDOC产生孕激素。（图3）
图3
孕晚期孕妇粪便中的THP水平比男性和未怀孕女性粪便中的THP水平高出两个数量级，同时可检测到黄体酮和孕烯醇酮。（图4）
图4
二、
21-去羟基化3α5αTHDOC的细菌
研究人员试图从人类粪便微生物群落中分离和表征21-去羟基化的细菌物种。首先发现21-去羟基化活性依赖于培养基中精氨酸(Arg)的存在。通过粪便菌群的培养和正交试验，获得了可以催化21-去羟化反应的菌株，Gordonibacter pamelaeae DSM 19738。
随后，发现将Gordonibacter pamelaeae DSM 19738与肠道共生菌E. coli Nissle 1917 (EcN)一起培养可显著提高其活性，而EcN本身不能21-去羟基化。
还发现多个Eggerthella lenta菌株在与EcN共培养中也产生了不同水平的THP。说明E. lenta同样可以21-去羟基化3α5αTHDOC，且该活性是由EcN诱导的。（图5）
图5
三、
EcN诱导21-去羟基化的潜在机制
参考先前文献，研究人员通过实验证明了氧化还原电位的差异与21-去羟基化活性相关。但添加氧化还原剂或者氧化酶的方法，并不会导致21-去羟基化。
在孵育48小时后对E. lenta 14A和EcN单培养物和共培养物进行了扫描电子显微镜(SEM)成像，观察到共培养物中的21-去羟基化作用。共培养过程中，E. lenta 14A与EcN之间没有明显的物理相互作用，说明两种细菌之间的诱导21-去羟基化并不需要接触。
研究人员将真空过滤和注射器过滤（保留气体）的EcN单培养48 h的无菌上清液加入E. lenta 14A。发现只有注射器过滤的上清液才能诱导大肠杆菌21-去羟基化。这提示可能是EcN产生了一种气体，从而产生了相应的作用。
进一步实验证实，该气体就是氢气(H2)。在含H2的厌氧环境下,E.lenta即使单独培养也表现出强的21-去羟化活性；而缺乏产H2能力的E.coli突变株则不能诱导E.lenta的21-去羟化。
另外，在pamelaeae或E.lenta 14A和EcN共培养中，检测到增效产氢，表明协同效应可能是共培养条件下21-去羟化大幅增强的原因。研究人员还量化了人类粪便群落中H2气体的产生，与此前报道相符，人类微生物群落可以是H2气体的净生产者，并进行21-去羟基化。（图6）
图6
四、
支持21-去羟基化的基因簇
比较基因组学分析，发现所有21-去羟化菌株都含有四个基因簇Elen_2451 - Elen_2454。进一步的研究发现，Elen_2453被标注为一个依赖于钼的钼酸盐氧化还原酶，并表明该酶可能是该簇中的主要酶单位。在簇中的其他基因中，Elen_2452被注释为4Fe-4S铁硫结合域蛋白，可以作为电子载体将电子传递给氧化还原酶；Elen_2451被标记为甲酸脱氢酶家族附属蛋白FdhD；Elen_2454被标记为一个SPFH结构域带7家族蛋白。
同源和异源表达研究验证了该基因簇在赋予21-去羟基化活性中的作用。Elen_2451 - 2453编码的蛋白质能够使非生产者G. uro进行21-去羟基化，而Elen_2454对于该生物体的21-去羟基化活性必不可少。（图7）
图7
五、
21-去羟基化菌群在孕妇中富集
宏基因组测序显示，怀孕受试者粪便中菌群丰度有所提高。差异属水平丰度的组成分析表明，Gordonibacter是怀孕供体样本中唯一显著富集的属，而Bacteroidetes门成员Bernardetia在非怀孕供体粪便中的丰度更高。在差异丰度的补充测试中，通过基于装配的分类分析确定的Eggerthella和Gordonibacter属的总水平在孕妇中明显高于非孕妇。还发现，Elen_2451-2454同源物的归一化基因丰度在妊娠供体的粪便中明显更高。此外，THPs浓度与Elen_2451-2454同源物的丰度呈正相关。这些数据表明，在怀孕后期，含有Elen_2451-2454簇的细菌水平较高，微生物组可能有助于在晚期孕妇的胃肠道中观察到高水平的THPs。（图8）
图8
六、
体内验证实验
研究人员将妊娠供体P7的粪便微生物群移植(FMT)到雌性GF小鼠中。随着时间的推移，可以观察到THPs的微生物产量持续增加。体内实验表明，孕妇体内的微生物群足以在胃肠道中产生THPs。
当含21-去羟化基因簇的E.lenta菌株在与E.coli共定殖无菌小鼠肠道后，也可诱导粪便中THP水平升高。将GF小鼠与生产者E. lenta 14A(含簇菌株)和EcN或非生产者E. lenta A2(缺乏簇菌株)和EcN共定殖，得到的数据为Elen_2451-2454基因簇负责21-去羟基化活性的假设提供了额外的支持。（图9）
图9
DISCUSSION
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研究讨论
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通过对21-去羟基化的探索，研究人员发现了氢气在促进肠道细菌次级代谢中的作用。在此之前，很少有报道讨论氢气如何影响肠道微生物代谢。不过，氢气是如何促进21-去羟基化的，这是一个有待于进一步研究的问题。研究人员提到，未来的研究需要在严格的厌氧条件下使用纯化的酶复合物来确定氢气促进21-去羟基化的确切机制。
另外，产生的代谢物3α5βTHP，也被称为依他诺酮，是GABAA受体的正变构调节剂和甘氨酸受体的负变构调节剂。具有麻醉和抗焦虑作用。虽然不是目前的治疗药物，但也可能潜在地影响宿主的神经系统。
更广泛地说，这项研究可能会激发未来研究细菌类固醇代谢对宿主的影响。该数据为人类肠道微生物组作为一个额外的内分泌器官的假设提供了更多的支持——肠道细菌产生生物活性代谢物，并影响激素稳态和宿主信号传导过程。
参考文献
[1] Gut bacteria convert glucocorticoids into progestins in the presence of hydrogen gas.McCurry, Megan D. et al.Cell, Volume 0, Issue 0
