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科学网—遇见生物合成Cell

来源：花匠小妙招时间：2024-11-24 22:44

遇见/摘要

硫代葡萄糖苷（Glucosinolates, GSs）是十字花科蔬菜中的一种重要的次级代谢产物。本文发现Bacteroides thetaiotaomicron（一种重要的肠道共生菌）将GSs转化为异硫氰酸酯(isothiocyanates, ITCs)。本文利用全基因组转座子插入筛选、异源表达、体外生化实验，确定B. thetaiotaomicron 中GSs代谢所需的操纵子：BT2159-BT2156。体外生化实验发现ITCs的形成需要BT2158和BT2156或BT2157。突变型BtΔ2157小鼠的胃肠道中ITCs产生减少，这些数据为肠道细菌处理重要饮食营养物的机制提供了理论基础，使人们深入了解微生物组如何从常见的饮食投入中，根据营养物再处理途径占主导地位，从而驱动不同的生理过程。

背景1：硫苷存在于细胞液泡中，当植物组织受到外界破坏而被损伤时，就会引起硫苷降解。这是因为植物中存在一种特异性糖蛋白酶——黑芥子酶，它能够催化硫苷水解。除了植物中存在黑芥子酶外，真菌、细菌、蚜虫肠液以及动物和人体肠道中也发现了此酶。硫苷降解主要过程如下，硫苷分子硫代部位首先被水解失去一个葡萄糖，形成一个不稳定中间体，然后进一步水解为异硫氰酸盐、睛、异硫睛和硫氰酸盐等化合物。背景2：硫苷在内源芥子酶的作用下容易水解产生降解产物，这些产物的形成受pH值和某些离子的影响。它们具有不同的生理功能，烯丙基异硫氢酸醋是产生十字花科蔬菜芥菜、甘蓝等特有芳香气味的成分；吲哚类硫代葡萄糖苷水解会产生吲哚3-甲醇、吲哚-3-乙酰睛等化合物，这些化合物能够抑制微生物的生长并对某些昆虫和草食动物具有威慑作用。更有意义的4-甲基硫氧丁基硫代葡萄糖苷的降解产物萝卜硫素，是迄今发现最强烈的酶诱导剂，能使癌基因失去活性。文献报道硫苷降解物对肿瘤有明显的抑制作用 (李鲜，陈昆松，张明方等. 十字花科植物中硫代葡萄糖苷的研究进展．园艺学报, 2006)。叨叨1：仔细想了一下，人们食用蔬菜的时候补充膳食纤维同时在肠道菌群作用下产生对人体有益的代谢产物，这个实验是一个典型的饲喂实验，简化成：向肠道菌群中的Bt 投喂西兰花中的硫代葡萄糖苷，生成代谢产物异硫氰酸酯；目前还未可知这种转化对共生菌有何益处，这有可能是共生菌代谢途径中酶催化的底物宽泛性以及底物的相似性导致了对硫代葡萄糖苷的兼并性代谢(此处请查询往期推荐1，信息素的二碳降解途径在线虫和植物中类似，前体类似，所以导致线虫的信息素在植物中代谢，这相当于一种进化的协同性！)，但这明显对人体有益，这是一种共生互利。叨叨2：本号进行模式改版，将往期推荐置于文章底部，往期推荐是小编对一些和本文有关联的往期内容回顾，有兴趣的朋友可以点击。

遇见/内容

一些可食用的蔬菜（如西兰花，卷心菜和其他十字花科的植物）富含硫代葡萄糖苷(glucosinolates, GSs，具有磺化肟部分和氨基衍生侧链, 图1A)。流行病学研究已将十字花科蔬菜的饮食与降低胃肠道癌症的风险联系在一起，研究认为GSs在肠道的水解产物异硫氰酸酯(isothiocyanates, ITCs)参与了化学预防作用。已知几种肠道细菌可代谢GSs，包括Lactobacillus, Bifidobacterium 和Bacteroides ，目前尚未发现编码这种转化的细菌基因。

A species of bacterium in the human gut helps to bestow cancer-fighting abilities on members of the Brassicafamily such as broccoli and cabbage (seen here with other vegetables). Credit: Getty

植物和肠道菌群代谢GSs的途径不同。十字花科植物可通过黑芥子酶水解GSs为活性ITC从而参与植物的化学防御（图1A）。植物黑芥子酶通常在烹饪过程中变性，肠道菌群会将GSs转化为生物活性ITC。为了验证Bacteroides thetaiotaomicron (Bt ) 菌株将GSs转化为ITC的能力，作者培养了不同人类Bt 相关分离株，在培养基中添加glucotropaeolin (BGS, a GS with a benzyl moiety)，并以半胱氨酸作为还原剂，通过LC-MS/MS检测BITC-cys（图1B）。Bt 菌株在丰富的培养基中显示出可变的GS代谢（图1C），表明GS和非GS代谢的Bt 菌株的相对丰度可能是宿主体内ITC产生个体间差异的原因。

图1. Activation of Glucosinolates (GSs) to Isothiocyanates (ITCs) by Microbial Myrosinases

尽管Bt 的生长不受ITC产生的抑制，但ITC对某些菌株具有杀菌和抑菌活性。生信分析显示Bt 与植物黑芥子苷酶无同源性，研究人员使用Mariner转座子在Bt VPI-5482中产生了一个插入文库，并通过偶联生长测定法(coupled growth assay)进行筛选。作者将ITC敏感型大肠杆菌接种到BGS培养的Bt 突变株废培养基中，通过ITC敏感型大肠杆菌的生长状况来评估Bt 突变体中与ITC产生有关的基因（图2）。接下来，作者使用半随机PCR来鉴定候选基因。其中操纵子BT2159-BT2156 包含具有预测的碳水化合物代谢活性的基因，预测具有硫糖苷酶功能。图2. High-Throughput Screen to Identify the Genes Necessary for GS Metabolism为了确定BT2159-BT2156 操纵子是否直接参与GS水解，研究人员进行了靶向基因缺失、回补以及体外实验。微生物遗传学表明BT2157和BT2158是Bt 活性所必需的，但生化分析表明BT2158与BT2156或BT2157的协同作用可以促进体外GS转化。

图3. The operon involved in GS metabolism in Bt. Predicted functions based on homology are annotated below each gene. In Vitro GS Conversion by Recombinant Proteins.

为了确定在肠道定殖的情况下此转座子是否能转化GSs，研究人员给小鼠植入WT Bt或BtΔ2157，并在食物中补充纯的BGS。在整个饮食干预期间，WT Bt和BtΔ2157的相对定殖密度相似。作者观察到WT Bt克隆的小鼠尿液中的BITC N-乙酰半胱氨酸（BITC-NAC）和BITC-cys水平较高，而BtΔ2157克隆的小鼠或无菌小鼠尿液中标记物较低。剔除一些混杂的背景，这些数据初步证明BT2159-BT2156在体内GS代谢中起作用。

图4. Monocolonization of Gnotobiotic Mice with Mutant Bt.

综上，本文研究了人类肠道菌群的重要成员Bt 代谢饮食性GSs的遗传和生物化学基础，作者确定了Bt. 将GS转换为ITC所需的操纵子BT2160-BT2156，这些结果提高了我们对肠道微生物处理植物代谢产物的认知，这为量化饮食性植物小分子对疾病的预防作用走出了第一步。

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