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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(nèi)容：北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院/北京大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院姜長(zhǎng)濤教授團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)第三醫(yī)院?jiǎn)探茉菏繄F(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院雷曉光團(tuán)隊(duì)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院Frank Gonzalez團(tuán)隊(duì)以及首都醫(yī)科大學(xué)朝陽(yáng)醫(yī)院王廣團(tuán)隊(duì)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(xiàn)了首個(gè)對(duì)菌源DPP4具有高活性和強(qiáng)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(fù)雜的代謝紊亂癥候群，目前代謝性疾病患者占全國(guó)慢性疾病的一半以上，已成為制約國(guó)民健康以及預(yù)期壽命的重要因素。腸道微生物作為連接人體內(nèi)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(yù)措施仍具有成分復(fù)雜、可控性差等局限，腸道菌群調(diào)控代謝性疾病的關(guān)鍵介質(zhì)與作用機(jī)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?cè)谒拗鞔x性疾病中的作用尚不清晰。
長(zhǎng)期以來(lái)，姜長(zhǎng)濤教授團(tuán)隊(duì)致力于代謝性疾病的發(fā)病機(jī)制與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究，重點(diǎn)聚焦腸道菌群介導(dǎo)的器官間對(duì)話(huà)。團(tuán)隊(duì)以腸道菌群產(chǎn)生的多種代謝酶為切入點(diǎn)及潛在干預(yù)靶點(diǎn)，首次發(fā)現(xiàn)吸煙期間尼古丁在腸道大量的蓄積以及腸道共生菌對(duì)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(dǎo)菌群—器官互作，改善代謝性疾病，靶向膽汁酸代謝酶，能夠改善代謝性疾病；發(fā)現(xiàn)了宿主基因—腸道菌群—宿主代謝交互調(diào)控的新范式?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，姜長(zhǎng)濤教授團(tuán)隊(duì)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(dǎo)器官間對(duì)話(huà)的關(guān)鍵介質(zhì)，闡明BSH、NicX等多個(gè)代謝性疾病干預(yù)的菌源新靶標(biāo)。
除了能夠產(chǎn)生特異性代謝酶外，研究團(tuán)隊(duì)敏銳察覺(jué)到，腸道菌群在與宿主長(zhǎng)期共進(jìn)化的過(guò)程中，還可能存在一些酶發(fā)揮著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(diào)控宿主代謝性疾病？可否作為針對(duì)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(tǒng)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(yīng)用上具有一定局限性。因此，開(kāi)發(fā)新方法、構(gòu)建新體系對(duì)于腸道共生菌同工酶的發(fā)掘與功能評(píng)價(jià)具有重要意義。
文章概述
首先，研究團(tuán)隊(duì)基于110種已經(jīng)報(bào)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(píng)價(jià)體系。利用該系統(tǒng)，研究人員評(píng)估了健康志愿者糞便群菌群培養(yǎng)物中的菌源宿主同工酶活性，發(fā)現(xiàn)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(píng)估菌源宿主同工酶活性的過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出了最強(qiáng)的穩(wěn)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(diào)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(yù)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(xiàn)在長(zhǎng)期高脂飲食處理、低濃度葡聚糖硫酸鈉（DSS）、吲哚美辛等誘導(dǎo)的腸屏障受損條件下，菌源DPP4可以進(jìn)入腸組織，顯著降低活性GLP-1水平、誘導(dǎo)糖耐量異常。腸屏障損傷是包括2型糖尿病在內(nèi)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(nèi)，跨物種誘導(dǎo)糖耐量異常。通過(guò)腸道共生菌株的分離培養(yǎng)、DPP4活性檢測(cè)、基于CRISPR-Cas系統(tǒng)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(xiàn)了多形擬桿菌、普通擬桿菌等多種擬桿菌屬細(xì)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(dǎo)高脂飲食小鼠糖耐量異常。以上發(fā)現(xiàn)揭示了腸道菌群影響代謝性疾病的全新病理基礎(chǔ)與作用機(jī)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(xiàn)，西格列汀對(duì)約40%的患者無(wú)法發(fā)揮有效降糖作用，其機(jī)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(yàn)及西格列汀與菌源DPP4的共結(jié)晶分析，研究人員發(fā)現(xiàn)目前西格列汀等針對(duì)人DPP4開(kāi)發(fā)的治療藥物對(duì)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(yù)研究，與此前報(bào)道一致，不同患者對(duì)西格列汀干預(yù)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(yù)實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)多形擬桿菌產(chǎn)生的btDPP4介導(dǎo)了西格列汀的臨床響應(yīng)性，為西格列汀臨床響應(yīng)性個(gè)體差異的提供了分子機(jī)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(duì)約107,000個(gè)小分子化合物的高通量篩選，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)中藥北豆根中活性成分蝙蝠葛蘇林堿具有最強(qiáng)的菌源DPP4抑制活性，而對(duì)宿主DPP4沒(méi)有抑制作用。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改造與活性評(píng)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(qiáng)效高選擇性的菌源DPP4抑制劑，并且通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)解析揭示了Dau-d4特異性地抑制菌源DPP4而對(duì)宿主DPP4無(wú)抑制作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。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(duì)腸道共生菌的生長(zhǎng)與組成則沒(méi)有明顯影響，這些結(jié)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(xiàn)菌源DPP4特異性抑制劑
綜上，腸道菌群調(diào)控代謝性疾病的分子機(jī)制與靶向干預(yù)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(zhǔn)化、靶向性研究階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本工作提出了腸道菌源宿主同工酶全新概念，以此為基礎(chǔ)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(gòu)建了“靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)—機(jī)制驗(yàn)證—藥物篩選—療效驗(yàn)證”的全鏈條研究體系，為后續(xù)基礎(chǔ)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(xiàn)特異性調(diào)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(zhǔn)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?cè)噭┖?span style="font-family: 微軟雅黑, Microsoft YaHei; font-size: 16px; color: #E36C09;">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(jié)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(kuò)增)、優(yōu)化的雙陽(yáng)離子緩沖液、SYBR Green I 熒光染料、dNTPs、PCR增強(qiáng)劑、PCR穩(wěn)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(yīng)。
產(chǎn)品特點(diǎn)：
● 3種抗體封閉，特異性高，靈敏度高，擴(kuò)增效率強(qiáng)，適用物種范圍廣。
● 雙陽(yáng)離子緩沖液，增強(qiáng)特異性，減少引物二聚體形成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
● 穩(wěn)定性好：反復(fù)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(jī)型而選擇不同的ROX染料。
擴(kuò)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(kuò)增。結(jié)果顯示，TransGen產(chǎn)品擴(kuò)增效率高，可得到漂亮的擴(kuò)增曲線(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。
擴(kuò)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(kuò)增。結(jié)果顯示，TransGen產(chǎn)品擴(kuò)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(shè)計(jì)，使用2×TransStart? FastPfu Fly PCR SuperMix擴(kuò)增，擴(kuò)增產(chǎn)物用DMT限制性?xún)?nèi)切酶消化甲基化質(zhì)粒模板后，轉(zhuǎn)化具有降解甲基化質(zhì)粒模板的感受態(tài)細(xì)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(shè)計(jì)，使PCR呈指數(shù)擴(kuò)增， 擴(kuò)增產(chǎn)物凝膠電泳可見(jiàn)，擴(kuò)增產(chǎn)物為環(huán)狀，易于轉(zhuǎn)化。
● 使用2×TransStart? FastPfu Fly PCR SuperMix擴(kuò)增，縮短了擴(kuò)增時(shí)間，同時(shí)提高了擴(kuò)增的保真性。
● 利用體外限制性?xún)?nèi)切酶和體內(nèi)感受態(tài)細(xì)胞降解甲基化質(zhì)粒模板，突變效率更高，對(duì)照突變效率高達(dá)90%。
全式金產(chǎn)品再一次登上Science期刊，證明了大家對(duì)全式金產(chǎn)品品質(zhì)和實(shí)力的認(rèn)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(xù)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.
