文章信息

文章題目：Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target

期刊：Science

發(fā)表時(shí)間：2023年8月4日

主要內容：北京大學(xué)醫學(xué)部基礎醫學(xué)院/北京大學(xué)第三醫院醫學(xué)創(chuàng )新研究院姜長(cháng)濤教授團隊、北京大學(xué)第三醫院?jiǎn)探茉菏繄F隊、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院雷曉光團隊、美國國立衛生研究院Frank Gonzalez團隊以及首都醫科大學(xué)朝陽(yáng)醫院王廣團隊合作，在Science雜志上發(fā)表了文章Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target，該研究首次提出了腸道菌源宿主同工酶（Microbial-host-isozyme，MHI）新概念，并發(fā)現了首個(gè)對菌源DPP4具有高活性和強選擇性的小分子抑制劑Daurisoline-d4，可以通過(guò)特異性抑制菌源DPP4，改善糖耐量異常。

原文鏈接：http://doi.org/10.1126/science.add5787

使用TransGen產(chǎn)品：

Fast Mutagenesis System (FM111)

PerfectStart^? Green qPCR SuperMix (+Universal Passive Reference Dye) (AQ602)

研究背景

代謝性疾病是一組表征復雜的代謝紊亂癥候群，目前代謝性疾病患者占全國慢性疾病的一半以上，已成為制約國民健康以及預期壽命的重要因素。腸道微生物作為連接人體內外環(huán)境的橋梁，已被證明在多種人類(lèi)代謝性疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。然而，糞菌移植等靶向整體腸道菌群的干預措施仍具有成分復雜、可控性差等局限，腸道菌群調控代謝性疾病的關(guān)鍵介質(zhì)與作用機制亟待深入解析。此外，腸道菌源酶還具有多種非代謝產(chǎn)物依賴(lài)的功能，但它們在宿主代謝性疾病中的作用尚不清晰。

長(cháng)期以來(lái)，姜長(cháng)濤教授團隊致力于代謝性疾病的發(fā)病機制與轉化醫學(xué)研究，重點(diǎn)聚焦腸道菌群介導的器官間對話(huà)。團隊以腸道菌群產(chǎn)生的多種代謝酶為切入點(diǎn)及潛在干預靶點(diǎn)，首次發(fā)現吸煙期間尼古丁在腸道大量的蓄積以及腸道共生菌對尼古丁的降解作用；揭示了腸道菌群通過(guò)多種膽汁酸代謝酶生成GUDCA、GDCA、HCA等膽汁酸，介導菌群—器官互作，改善代謝性疾病，靶向膽汁酸代謝酶，能夠改善代謝性疾??；發(fā)現了宿主基因—腸道菌群—宿主代謝交互調控的新范式?；谝陨习l(fā)現，姜長(cháng)濤教授團隊提出了“代謝性疾病腸治”的新理論，揭示腸道菌群代謝物膽汁酸、尼古丁、神經(jīng)酰胺是介導器官間對話(huà)的關(guān)鍵介質(zhì)，闡明BSH、NicX等多個(gè)代謝性疾病干預的菌源新靶標。

除了能夠產(chǎn)生特異性代謝酶外，研究團隊敏銳察覺(jué)到，腸道菌群在與宿主長(cháng)期共進(jìn)化的過(guò)程中，還可能存在一些酶發(fā)揮著(zhù)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廣泛存在？能否跨物種調控宿主代謝性疾??？可否作為針對代謝性疾病藥物篩選的新靶點(diǎn)？目前這些問(wèn)題尚未有研究。同時(shí)，傳統的宏基因組、宏蛋白組等基于序列的組學(xué)方法在挖掘腸道共生菌源宿主同工酶的應用上具有一定局限性。因此，開(kāi)發(fā)新方法、構建新體系對于腸道共生菌同工酶的發(fā)掘與功能評價(jià)具有重要意義。

文章概述

首先，研究團隊基于110種已經(jīng)報道的宿主重要疾病靶點(diǎn)酶，建立了一套完整的菌源宿主同工酶挖掘與評價(jià)體系。利用該系統，研究人員評估了健康志愿者糞便群菌群培養物中的菌源宿主同工酶活性，發(fā)現有71種酶在腸道菌群中存在同工酶，這些酶種類(lèi)多樣、功能全面，提示菌源宿主同工酶在腸道中廣泛存在，可能有效模擬宿主酶的功能。

腸道菌源宿主同工酶挖掘體系

隨后，在評估菌源宿主同工酶活性的過(guò)程中，研究人員發(fā)現宿主二肽基肽酶4（DPP4）的菌源同工酶活性在不同個(gè)體中表現出了最強的穩定性和普遍性。DPP4是一種絲氨酸水解酶，宿主DPP4可以通過(guò)水解并失活胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）等胃腸道多肽類(lèi)激素，發(fā)揮調控胰島素分泌等多種生理功能，是2型糖尿病及其相關(guān)代謝紊亂的重要干預靶點(diǎn)。然而，GLP-1主要由腸組織釋放進(jìn)入循環(huán)，而腸道菌群產(chǎn)生的蛋白類(lèi)物質(zhì)主要聚集于腸腔，那么，菌源DPP4是否可以接觸宿主GLP-1，發(fā)揮宿主DPP4類(lèi)似的病生理功能？研究人員發(fā)現在長(cháng)期高脂飲食處理、低濃度葡聚糖硫酸鈉（DSS）、吲哚美辛等誘導的腸屏障受損條件下，菌源DPP4可以進(jìn)入腸組織，顯著(zhù)降低活性GLP-1水平、誘導糖耐量異常。腸屏障損傷是包括2型糖尿病在內的多種代謝性疾病的共同病理特征，因此，菌源DPP4可以在腸屏障受損的條件下，進(jìn)入宿主體內，跨物種誘導糖耐量異常。通過(guò)腸道共生菌株的分離培養、DPP4活性檢測、基于CRISPR-Cas系統的厭氧菌基因敲除體系以及多種動(dòng)物模型，研究人員發(fā)現了多形擬桿菌、普通擬桿菌等多種擬桿菌屬細菌均具有菌源DPP4活性，并鑒定了菌源DPP4的編碼基因。多形擬桿菌可以以菌源DPP4依賴(lài)的方式降低宿主活性GLP-1水平，誘導高脂飲食小鼠糖耐量異常。以上發(fā)現揭示了腸道菌群影響代謝性疾病的全新病理基礎與作用機制。

DPP4抑制劑西格列汀在臨床上廣泛用于2型糖尿病的治療，然而，西格列汀的治療效果具有較大的個(gè)體差異，臨床研究發(fā)現，西格列汀對約40%的患者無(wú)法發(fā)揮有效降糖作用，其機理尚未闡明。菌源DPP4是否有可能在其中發(fā)揮了一定作用？利用酶活抑制實(shí)驗及西格列汀與菌源DPP4的共結晶分析，研究人員發(fā)現目前西格列汀等針對人DPP4開(kāi)發(fā)的治療藥物對菌源DPP4的抑制作用較弱。研究人員進(jìn)一步招募了57名初診2型糖尿病患者進(jìn)行了為期3個(gè)月的西格列汀干預研究，與此前報道一致，不同患者對西格列汀干預的療效具有較大的個(gè)體差異?；诙嘟M學(xué)關(guān)聯(lián)分析、菌群移植、噬菌體靶向干預實(shí)驗，研究人員發(fā)現多形擬桿菌產(chǎn)生的btDPP4介導了西格列汀的臨床響應性，為西格列汀臨床響應性個(gè)體差異的提供了分子機理與作用靶點(diǎn)。

臨腸道菌源DPP4影響臨床西格列汀療效

最后，研究人員建立了靶向菌源DPP4的高通量藥物篩選體系，通過(guò)對約107,000個(gè)小分子化合物的高通量篩選，發(fā)現了傳統中藥北豆根中活性成分蝙蝠葛蘇林堿具有最強的菌源DPP4抑制活性，而對宿主DPP4沒(méi)有抑制作用。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的結構改造與活性評價(jià)，研究人員確定了蝙蝠葛蘇林堿的衍生物Dau-d4是一種強效高選擇性的菌源DPP4抑制劑，并且通過(guò)晶體結構解析揭示了Dau-d4特異性地抑制菌源DPP4而對宿主DPP4無(wú)抑制作用的結構基礎。Dau-d4可以通過(guò)抑制菌群DPP4來(lái)改善糖耐量，同時(shí)，Dau-d4對腸道共生菌的生長(cháng)與組成則沒(méi)有明顯影響，這些結果表明，Dau-d4可以在不干擾菌群整體功能的條件下，特異性靶向菌源DPP4，有效改善小鼠糖代謝紊亂。

高通量篩選發(fā)現菌源DPP4特異性抑制劑

綜上，腸道菌群調控代謝性疾病的分子機制與靶向干預研究不僅是代謝性疾病研究的重要方向，同時(shí)也是腸道菌群領(lǐng)域進(jìn)入精準化、靶向性研究階段的關(guān)鍵環(huán)節，本工作提出了腸道菌源宿主同工酶全新概念，以此為基礎探索了菌源宿主同工酶在代謝性疾病的發(fā)病及治療過(guò)程中的重要作用，并構建了“靶點(diǎn)發(fā)現—機制驗證—藥物篩選—療效驗證”的全鏈條研究體系，為后續基礎研究與臨床治療提供了新的研究思路與方向。解析腸道菌源酶的功能和在代謝性疾病中的作用，有望實(shí)現特異性調控菌株功能且不影響菌群組成，從而為靶向腸道菌群的代謝性疾病精準化治療帶來(lái)新的突破。

全式金產(chǎn)品支撐

優(yōu)質(zhì)的試劑是科學(xué)研究的利器。全式金的qPCR產(chǎn)品PerfectStart^? Green qPCR SuperMix (+Universal Passive Reference Dye) (AQ602)和點(diǎn)突變試劑盒Fast Mutagenesis System (FM111)助力本研究。

PerfectStart^? Green qPCR SuperMix (+Universal Passive Reference Dye) (AQ602)

本產(chǎn)品包含PerfectStart^? Taq 熱啟動(dòng)酶 (利用3種單克隆抗體與Taq DNA Polymerase高效結合，有效地封閉了DNA聚合酶活性， 阻止了低溫下的非特異性擴增)、優(yōu)化的雙陽(yáng)離子緩沖液、SYBR Green I 熒光染料、dNTPs、PCR增強劑、PCR穩定劑和 Universal Passive Reference Dye。本產(chǎn)品濃度為2×，使用時(shí)只需加入模板、引物、和水，使其工作濃度為1×，即可進(jìn)行反應。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

● 3種抗體封閉，特異性高，靈敏度高，擴增效率強，適用物種范圍廣。

● 雙陽(yáng)離子緩沖液，增強特異性，減少引物二聚體形成，數據準確。

● 穩定性好：反復凍融20次，37℃保存5天性能均無(wú)明顯變化。

● 操作方便：兼容各種qPCR儀器，無(wú)需因不同機型而選擇不同的ROX染料。

擴增效率高

以梯度稀釋的質(zhì)粒DNA為模板，使用TransGen產(chǎn)品進(jìn)行擴增。結果顯示，TransGen產(chǎn)品擴增效率高，可得到漂亮的擴增曲線(xiàn)和標準曲線(xiàn)。

擴增靈敏度高

以梯度稀釋的1 ng質(zhì)粒DNA為模板，使用TransGen產(chǎn)品進(jìn)行擴增。結果顯示，TransGen產(chǎn)品擴增靈敏度高。

Fast Mutagenesis System (FM111)

本產(chǎn)品以甲基化的質(zhì)粒為模板，采用部分重疊引物 (均含突變點(diǎn)) 設計，使用2×TransStart^? FastPfu Fly PCR SuperMix擴增，擴增產(chǎn)物用DMT限制性?xún)惹忻赶谆|(zhì)粒模板后，轉化具有降解甲基化質(zhì)粒模板的感受態(tài)細胞。本產(chǎn)品具有突變效率高，操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

● 由于采用部分重疊引物 (均含突變點(diǎn)) 設計，使PCR呈指數擴增， 擴增產(chǎn)物凝膠電泳可見(jiàn)，擴增產(chǎn)物為環(huán)狀，易于轉化。

● 使用2×TransStart^? FastPfu Fly PCR SuperMix擴增，縮短了擴增時(shí)間，同時(shí)提高了擴增的保真性。

● 利用體外限制性?xún)惹忻负腕w內感受態(tài)細胞降解甲基化質(zhì)粒模板，突變效率更高，對照突變效率高達90%。

全式金產(chǎn)品再一次登上Science期刊，證明了大家對全式金產(chǎn)品品質(zhì)和實(shí)力的認可，也完美詮釋了全式金一直以來(lái)秉承的“品質(zhì)高于一切，精品服務(wù)客戶(hù)”的理念。全式金始終在助力科研的道路上砥礪前行，希望未來(lái)能與更多的科研工作者并肩奮斗，用更多更好的產(chǎn)品持續助力科研。

使用PerfectStart^? Green qPCR SuperMix (+Universal Passive Reference Dye) (AQ602)產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：

? Wang K, Zhang Z W, Hang J, et al. Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target [J]. Science, 2023.

? Dang G Q, Wen X B, Zhong R Q, et al. Pectin modulates intestinal immunity in a pig model via regulating the gut microbiota-derived tryptophan metabolite-AhR-IL22 pathway [J]. Journal of Animal Science and Biotechnology, 2023.

? Meng Z S, Liu J C, Feng Z P, et al. N-acetylcysteine regulates dental follicle stem cell osteogenesis and alveolar bone repair via ROS scavenging [J]. Stem Cell Research & Therapy, 2022.

使用Fast Mutagenesis System (FM111)產(chǎn)品發(fā)表的部分文章：

? Wang K, Zhang Z W, Hang J, et al. Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target [J]. Science, 2023.

? Tian Y, Chen Z H, Wu P, et al. MIR497HG-Derived miR-195 and miR-497 Mediate Tamoxifen Resistance via PI3K/AKT Signaling in Breast Cancer [J]. Advanced Science, 2023.

? Liu X Q, Liu Z P, Wu Z M, et al. Resurrection of endogenous retroviruses during aging reinforces senescence[J].Cell, 2023.

? Shi S, Ma B, Sun F, et al. Zafirlukast inhibits the growth of lung adenocarcinoma via inhibiting TMEM16A channel activity[J]. Journal of Biological Chemistry, 2022.

? Chen Y G, Li D S, Ling Y, et al. A Cryptic Plant Terpene Cyclase Producing Unconventional 18‐and 14‐Membered Macrocyclic C25 and C20 Terpenoids with Immunosuppressive Activity[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2021.

? Yang Y, Csakai A, Jiang S, et al. Tetrasubstituted imidazoles as incognito Toll-like receptor 8 a (nta) gonists[J]. Nature Communications, 2021.

? Liu M, Xu B, Ma Y, et al. Reversible covalent inhibitors suppress enterovirus 71 infection by targeting the 3C protease[J]. Antiviral Research, 2021.