合成生物催化剂工程,摘译自:

https://www.nature.com/articles/s41564-021-01010-x

https://www.nature.com/articles/s41564-021-01009-4

肠道微生物群对宿主的健康和疾病有深远的影响,甚至超出肠道范围。当摄入的食物通过胃肠道时,数以万亿计的微生物降解食物成分,产生的代谢物对肠道、不同的代谢系统甚至大脑都有很多好处。然而,细菌代谢产物也可能对宿主有害,比如三甲胺(trimethylamineTMA)。某些肠道细菌可以分解摄入的L-肉碱产生TMA,随后被肝脏转化为三甲胺N-氧化物(trimethylamine N-oxideTMAO),一种会增加心血管疾病风险的分子。我们的饮食中含有L-肉碱,特别是在牛肉和猪肉等动物产品中。到目前为止,微生物将L-肉碱转化为TMA的唯一已知途径是微生物蛋白CntACntB的需氧转化。然而,大肠的大量缺氧环境暗示存在一种厌氧微生物途径来转化L-肉碱。L-肉碱可以通过γ-butyrobetaine (γBB)转化为TMA。此外,有几种细菌能够通过CaiABCD蛋白厌氧将L-肉碱转化为γBB。然而,参与这种转化的蛋白质,这种途径在其他肠道微生物中的存在以及对人类健康的影响仍未被探索。

近期,来自Lerner Research InstituteStanley L. Hazen等人在大肠中发现,在厌氧环境中,肠道菌Emergencia timmonensis在从γBB中产生TMA方面的作用,以及它与小鼠模型中的血凝块形成的关系。由于先前发现低丰度的E. timonensis能够在体外厌氧条件下将γBB转化为TMA, Stanley L. Hazen等人推断,将E. timonensis添加到一个微生物群落中,应该具有将γBB转化为TMA的能力。分析遵循纯素饮食的人(无法将γBB转化为TMA)的粪便样本,以及无菌小鼠的肠道群落,证实E. timonensis具有将γBB转化为TMA的能力。此外,在含有E. timmonensis的体内小鼠模型中,TMA的产生导致了颈动脉损伤模型中血栓的增加。作者分析了E. timonensis的转录组数据,确定了γBB转换为TMA所需的6个基因,他们称之为gbu基因簇(gbuABCDEF)。组合克隆和功能研究鉴定了4个基因(gbuA, gbuB, gbuCgbuE)是必要的,足以再现γBB在大肠杆菌中共表达时向TMA的转化。最后,对一项临床随机饮食干预研究样本的再分析表明,粪便中gbuA的丰度与血浆中氧化TMA和富含红肉的饮食有关。与那些不吃红肉的人相比,吃富含红肉的饮食的人的gbuA丰度在很大比例上更高。这表明食用红肉中的左肉碱、gbuA基因丰富度和动脉粥样硬化之间存在联系,尽管还需要更多的证据来进一步支持这一假说。

该研究揭示了一种微生物基因簇,它对宿主的膳食肉、γBBTMATMAO转化至关重要,并有助于增加心血管疾病风险。这为设计干预措施提供了坚实的基础,为心血管疾病的治疗提供潜在的方法。

(杨思琪 摘译)


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