2024年11月07日，中国台湾国立中央大学及中央研究院团队在《Gut Microbes》发表研究型文章Clostridium innocuum, an opportunistic gut pathogen, inactivates host gut progesterone and arrests ovarian follicular development（IF=12.2），研究结果表明C. innocuum是服用孕酮的女性对孕酮耐药的致病因素。![]()
生殖激素，包括孕激素和雌激素，调节人类和其他脊椎动物的代谢、发育、生殖和行为。孕酮在女性和雌性小鼠的受精、植入和胚胎发生中发挥着关键作用。孕酮在为妊娠准备子宫和维持妊娠方面也具有重要功能。具体而言，孕酮为子宫内膜的植入做准备。在女性中，孕酮主要由卵巢的黄体通过两个酶促步骤产生；在第一步中，胆固醇侧链裂解酶（P450scc）在线粒体中将胆固醇转化为孕烯醇酮，在第二步中，人体3β-羟类固醇脱氢酶将孕烯醇酮转化为孕酮。孕酮主要在肝脏中被5α还原酶和3α-羟类固醇氧化还原酶代谢，生成一系列代谢物（如3α-羟基-5α-孕烯-20-酮，亦称为阿洛孕酮）。阿洛孕酮在妊娠及产后期间具有保护和稳定情绪的作用。孕酮及其代谢物具有高度脂溶性，易于穿过血脑屏障，因此这些化合物会在大脑中积累，被认为是神经类固醇。先前的研究表明，包括阿洛孕酮在内的孕酮衍生神经类固醇是由人体酶生成的。在女性中，孕酮仅在月经周期的黄体期存在。妊娠期间，血液中的孕酮水平在纳摩尔范围内。在分娩前，母体孕酮水平可能达到200–2,000 nmol/L。孕酮水平不足可能导致（i）黄体期功能不足，影响生育并增加流产风险；（ii）影响胚胎植入并增加子宫内膜病理的风险。例如，在慢性无排卵症（如多囊卵巢综合症）患者中，孕酮水平不足是导致不孕和早期流产的最常见原因之一。在黄体期适当补充孕酮对支持成功的胚胎植入和防止早期流产至关重要，尤其是在进行体外受精的女性中。补充的孕酮的生物利用度在个体之间差异很大，通常较低（约10%）。首过效应中，孕酮在肝脏酶的代谢是导致低生物利用度的主要机制。然而，超过一半的孕酮样本可能在肝外代谢。类固醇激素通过肠肝循环在肝脏和肠道之间进行回收。类固醇的再吸收主要发生在人类的小肠和小鼠的盲肠。最近研究表明，肠道微生物在肠道中对雄激素的修饰和再吸收中起着关键作用。同样，来自内源性产生或外源性给药的循环孕酮也与肠道微生物组的组成相关。然而，负责肠道中孕酮代谢的微生物种类及其相应的酶仍未知。无毒梭状芽胞杆菌（Clostridium innocuum）是一种革兰氏阳性、形成孢子的厌氧菌，显著影响人类的胃肠道代谢和功能。对与健康个体相关的公共微生物组数据集进行的比较基因组分析表明，C. innocuum在全球人群中具有较高的流行率（>80%）。尽管之前被认为是一种共生细菌，但C. innocuum最近与多种健康状况相关，包括腹泻、菌血症、心内膜炎、骨髓炎和腹膜炎。这一发现表明C. innocuum是一种机会性病原体；然而，相关的毒力机制尚未被识别。先前的研究表明，某些炎症性疾病（如与腹泻和菌血症相关的内毒素血症）与孕酮代谢紊乱有关。然而，人类微生物组在这些生物过程中所起的作用仍需阐明。本研究确定C. innocuum是负责肠道孕酮代谢的主要物种。此外应用综合组学方法识别了孕激素代谢物、微生物酶及其相应基因。口服给予雌性小鼠C. innocuum导致血清孕酮水平显著下降，以及发情周期和卵泡发育的停滞。
C. innocuum是与不孕女性肠道孕酮代谢相关的主要物种C. innocuum将孕酮转化为神经类固醇—表孕酮，其孕激素活性微乎其微纯化并表征了相应的酶，即NADPH依赖的5β-二氢孕酮还原酶，该酶对氧气高度敏感，其对应基因在C. innocuum中普遍存在口服给予C. innocuum的7周龄雌性C57BL/6小鼠表现出血浆孕酮水平降低（约35%）使用克氏杆菌特异性抗生素（甲硝唑）恢复了这些小鼠的低血浆孕酮水平长期（12周）给予C. innocuum导致雌性小鼠的卵泡发育停滞C. innocuum可能导致黄体期功能不足并影响月经规律研究结果提示C. innocuum可能是服用孕酮女性中孕酮抵抗的一个致病因素。
图 1. 活跃和非活跃肠道孕激素代谢的患者之间孕激素代谢肠道微生物丰度及其相应基因的差异。
图 2. 孕酮改良粪便培养物中的C. innocuum生长和表孕酮产生。
图 3. 确定患者肠道微生物群中肠道孕激素代谢的关键参与者及其相应基因。
图4. （a）从C. innocuum菌株RGG8中纯化的 NADPH 依赖性5β-二氢孕酮还原酶（ApmAB）的表征。（b）356个Etfαβ序列（包括206个ApmAB）的系统发育分析。使用 Maximum-likelihood 方法确定系统发育关系，并根据500次重复计算bootstrap值。（c）孕酮 （Ci）和葡萄糖（Cii）诱导的apmA 表达。所有三种环状化合物的工作浓度均为0.3 mm。测定混合物中的最终 DMSO 浓度为0.3%（v/v）。![]()
图5. 通过灌胃将孕激素代谢的C. innocuum菌株 RGG8 注入雌性小鼠的肠道，导致宿主循环黄体酮水平降低。图6. 延长C. innocuum给药 （12 周） 导致小鼠发情周期 （a） 和卵泡发育 （b） 停止。图7. 常见孕激素的化学结构。在这些孕激素中，pregnanolone、allopregnanolone、epipregnanolone 和 isopregnanolone 被认为是神经类固醇。
本研究是第一项提供有力的研究证明肠道孕酮是严格厌氧的C. innocuum的电子受体并且呼吸过程发生在细胞外，不需要孕酮摄取。本研究观察到粪便样本中孕激素代谢活性高的患者表现出低循环孕酮水平，C. innocuum降低循环孕酮水平的能力，可能是通过代谢小鼠肠道中的内源性和外源性孕酮。因此认为C. innocuum是服用孕酮的不孕妇女对孕酮耐药的致病因素。因此，可以根据患者肠道微生物群的孕酮代谢能力来确定个体化孕酮剂量。这种确定不仅可以降低成本，还可以最大限度地减少与高剂量药物相关的副作用，从而提高治疗效率。这项研究还观察到C. innocuum给药时间延长的小鼠卵泡发育和发情周期停滞。人类孕酮主要由卵巢中的黄体产生。卵泡停滞可能导致黄体功能障碍，从而进一步阻碍内源性孕激素的产生。因此，微生物活动和宿主卵泡停滞（通过不明途径）可能导致雌性小鼠和不孕症女性的黄体酮水平降低，这些雌性小鼠的C. innocuum丰度高。在本研究中，除孕酮外，长期服用C. innocuum导致血浆雌二醇、FSH和LH水平发生显著变化。表明C. innocuum在人类排卵障碍中的潜在作用。尽管如此C. innocuum对妊娠、流产风险和孕激素代谢异常引起的相关疾病的影响仍有待通过更大样本量的临床试验进行研究。
通讯作者
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江殷儒，中央研究院生物多样性研究中心副主任，研究員。主要研究興趣是微生物代謝多樣性。目前著重於極端微生物的生理與代謝研究。極端微生物是偏好在極端環境中生長繁殖的一群微生物，通常爲單細胞原核或真核生物。極端環境係指不適合脊椎動物生活之環境，包括缺乏氧氣、極端溫度、極端酸鹼值或是高鹽度等特殊理化條件。伴隨新興微生物分析技術之興起，極端微生物之親緣及代謝多樣性研究，近來獲得許多重大進展。相關之微生物乃至酵素或代謝物，具有相當之生醫、農業與工業應用潛力。
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王柏翔，台湾国立中央大学環境微生物化學工程實驗室合聘教授。研究領域：微生物固碳工程；有機固體廢棄物之資源化再利用；極端溫泉微生物酵素開發及工程化。
