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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。
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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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