康奈尔大学基于代谢组学体外筛选能快速代谢氨基酸的肠道微生物

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关键词：

来源：

Cell Host & Microbe

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//agri.nais.net.cn/topic/downloadFile/71dac39b-1420-4a64-bdd2-4b7f1b851889

来源地址：

https://doi.org/10.1016/j.chom.2024.04.004

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2024-04-22

摘要：

2024年4月22日，来自美国康奈尔大学威尔康奈尔医学院 (Weill Cornell Medicine, Cornell University) 的郭春君研究组在Cell Host & Microbe上在线发表题为Microbiota metabolism of intestinal amino acids impacts host nutrient homeostasis and physiology的研究论文。在这篇论文中，作者基于代谢组学体外筛选，系统地鉴定了一系列能够快速代谢氨基酸的肠道菌，并在此基础上通过细菌遗传操作，验证了多个负责代谢氨基酸代谢的酶和基因，最后利用无菌小鼠模型，在单菌和基因层面，证明了肠道微生物的氨基酸代谢对宿主氨基酸水平和血糖耐受的影响。作者首先基于104株肠道微生物开发了一套基于代谢组学的高通量体外活体细菌筛选方法，来鉴定可以在体外条件下快速代谢氨基酸的肠道菌。基于该方法，作者发现不同菌在代谢氨基酸的能力上存在广泛差异。大部分Bacteroides属的细菌能快速代谢天门冬氨酸（Asp），天门冬酰胺（Asn），谷氨酸 (Glu)，谷氨酰胺（Gln）四种氨基酸。然而，Clostridium 属的菌在代谢氨基酸的能力上并无统一规律，其中，少部分细菌比如C. sporogenes ATCC15579 和C. senegalense DSM25507 可以快速代谢多种氨基酸。此外，一部分肠道细菌对多种氨基酸并无明显的代谢能力。随后，作者基于体外筛选的结果，挑选了三株能够快速代谢氨基酸的菌（包括B. ovatus ATCC 8483，C. sporogenes ATCC15579 和C. senegalense DSM25507）分别定植无菌小鼠，从而研究单菌层面细菌的氨基酸代谢对宿主氨基酸稳态的影响。作者发现，单株菌的定植就能够显著降低宿主肠道和循环系统里的对应氨基酸水平，并且这些受到影响的氨基酸和体外氨基酸代谢筛选实验结果一致，体现了体外氨基酸代谢实验可以在一定程度上预测细菌在体内对宿主氨基酸水平的影响。接下来，为了从基因层面探究细菌氨基酸代谢对宿主的影响，作者基于几种能够快速代谢氨基酸的细菌（B. ovatus ATCC 8483，B. hydrogenotrophica DSM10507， C. sporogenes ATCC15579 和C. senegalense DSM25507）预测了潜在的代谢通路和代谢候选基因，并用不同的细菌遗传操作方法（包括CRISPR-cas9，同源重组，Group II intron）对这些候选基因进行了基因敲除，最后在35个突变株中鉴定出14个对不同氨基酸代谢起到关键作用的基因（酶）。作者进一步在突变敲除株中回补这些基因，来证明这些基因对于代谢氨基酸的必要性。此外，作者通过在380个肠道微生物基因组中BLAST揭示了这些代谢氨基酸的功能基因在人类肠道微生物组中广泛存在。随后，作者通过在无菌小鼠中定植野生型细菌和特定氨基酸代谢缺陷的突变株，研究是否可以在单基因层面调控细菌的氨基酸代谢来影响宿主的氨基酸水平。作者发现，该实验中所测试的突变株（精氨酸（Arg），Asn, 亮氨酸/异亮氨酸（Leu/Ile），Glu, 组氨酸（His），脯氨酸（Pro）, 色氨酸（Trp） 代谢缺陷）定植小鼠相对于野生菌定植小鼠，都在粪便中有更高的氨基酸水平。其中，Asn, Leu/Ile，His，Pro代谢对应的突变株，血液中的氨基酸水平也显著更高。另外，作者还研究了肠道菌的氨基酸代谢对宿主糖耐受的影响，发现Leu/Ile 和Trp代谢缺陷突变株的定植，相对于野生型细菌，在葡萄糖糖耐受上表型出显著的差异，并揭示了血清素（Serotonin）在其中扮演的重要作用。综上所述，作者基于代谢组学，细菌基因编辑，无菌小鼠模型，生物信息学等手段方法系统地在菌株层面和基因层面研究了肠道微生物对氨基酸的代谢，并揭示了细菌层面的氨基酸代谢对宿主氨基酸水平和葡萄糖耐受的重要作用。在前人研究的基础上，该工作进一步了展示了肠道微生物像肝脏一样的代谢功能为将来进一步研究肠道微生物氨基酸代谢对宿主的影响提供了丰富的资源，也为开发疾病肠道标志物，设计工程菌治疗相关疾病奠定了基础。