Cell：人体内广泛分布的基因簇可弥补尿酸酶的缺失

背景

尿酸是哺乳动物嘌呤降解的中间产物。在大多数哺乳动物中，尿酸通过尿酸氧化酶 (尿酸酶)转化为可自由溶解的尿囊素，然后通过肾脏排泄。然而，在人类进化的早期，尿酸酶基因发生了进行性突变，使其活性降低，直至尿酸酶功能完全丧失。虽然尿酸酶假基因化可能对我们的祖先有益，但在现代它已成为一种负担。大约14.6%的美国人患有高尿酸血症，3.9%的患者有痛风的临床特征，痛风是一种由尿酸结晶沉淀引起的疼痛性炎症性关节炎。痛风的治疗包括黄嘌呤氧化酶抑制剂 (尿酸在嘌呤代谢通路的上游)或阻断近端肾小管对尿酸重吸收的药物。这些药物大多疗效不佳，依从性差，或有不可耐受的副作用，因此需要新的治疗痛风的疗法。

简介

2023年8月3日，来自美国斯坦福大学医学院的Yuanyuan Liu及其团队在Cell (IF: 64.5)杂志上发表名为A widely distributed gene cluster compensates for uricase loss in hominids的研究[1]。

研究亮点

1、厌氧尿酸代谢在肠道微生物群中广泛存在。

2、肠道细菌利用一个保守的基因簇将尿酸转化为短链脂肪酸。

3、尿酸酶缺陷小鼠的微生物群缺失导致重度的高尿酸血症。

4、覆盖厌氧菌的抗生素会增加人类痛风的风险。

主要结果

厌氧尿酸代谢在肠道细菌中广泛存在

虽然尿酸代谢主要发生在需氧菌中，但厌氧尿酸代谢只在少数从土壤中分离的嘌呤降解菌中被描述。早期对梭状芽孢杆菌的生化研究确立了参与厌氧嘌呤代谢的酶活性；然而，支持这一嘌呤溶解通路的基因的身份尚不清楚。因此，没有可用于查询肠道细菌基因组以了解尿酸代谢的标记基因。

为了鉴定消耗尿酸的肠道细菌，我们用尿酸培养了系统发育多样性的人类肠道细菌菌株库 (图1B)，并利用液相色谱-质谱 (LC-MS)通过同位素稀释法定量了剩余尿酸 (图1C)。我们首先验证了该检测方法，结果表明已知的嘌呤降解细菌 (柱孢梭菌C. cylindrosporum和解嘌呤戈特沙尔克菌Gottschalkia puriniltica)消耗尿酸，而多形拟杆菌不消耗尿酸 (图1D)。接下来，我们发现尿酸的消耗在肠道细菌中非常普遍，我们菌株库中超过1/5 (46/206)的菌株在厌氧生长48小时后消耗了超过50%的尿酸 (图1E)。尿酸消耗分布于4个门 (放线菌门、厚壁菌门、梭菌门和变形菌门)，但明显不存在于拟杆菌门。我们在碳水化合物限制的条件下，用扩展的菌株库重复这一筛选。第2次筛选的结果：(1)确认了第1次筛选中大多数微生物的发现；(2)鉴定了额外消耗尿酸的菌株，总数达59/240株；(3)揭示了一些菌株在缺乏碳水化合物的情况下消耗更多的尿酸。

大肠杆菌以厌氧方式将尿酸转化为醋酸盐

大肠杆菌基因组含有一个包含我们研究中发现的大部分尿酸诱导基因的基因簇。大肠杆菌在厌氧条件下消耗尿酸的机制需要甲酸盐，涉及aegA, ygfT和ygeV等多个基因。值得注意的是，ygfT和ygeV基因与我们研究中发现的ygeW、ygeX、ygeY、hyuA、ygfK和ssnA基因位于同一个基因位点 (图6A)。然而，这些基因在大肠杆菌尿酸代谢中的作用尚未被研究。

尽管大肠杆菌含有尿酸代谢基因，但在我们最初的筛选条件下，大肠杆菌未被鉴定为消耗尿酸的细菌 (图6B)。为了检测大肠杆菌在厌氧条件下是否消耗尿酸，我们在11种添加了尿酸的厌氧培养基中培养MG1655菌株，并通过LC-MS监测尿酸随时间的变化。与我们最初筛选的结果一致，尿酸在mega培养基中基本上没有被消耗 (图6C)。然而，我们确定了4种支持尿酸完全消耗的不同介质 (图6C)。我们的研究结果表明，大肠杆菌消耗尿酸，而营养可用性显著影响这种表型。

肠道细菌弥补了小鼠体内尿酸酶的缺乏

与人类不同，小鼠有一种功能性尿酸酶 (也被称为尿酸氧化酶 [Uox])，野生型小鼠的血浆尿酸水平低于人类。为了研究微生物组在高尿酸血症中的作用，我们使用了两种小鼠模型：(1)携带Uox基因靶向突变的小鼠，以及(2)用氧嗪酸对尿酸酶进行化学抑制 (图7A)。Uox基因敲除 (Uox-/-)小鼠存在高尿酸血症，在肾脏累积尿酸晶体，且早期死亡。为了克服围生期死亡率，我们在繁殖期间和断奶后向饮用水中提供了别嘌呤醇 (黄嘌呤氧化酶抑制剂) (图7A)。我们还证实了既往研究的结果，即在采血管中添加黄嘌呤氧化酶抑制剂 (别嘌呤醇)可限制体外尿酸假升高。因此，我们在所有的小鼠实验中都使用了这种抽样方法。

结论及展望

大约15%的美国成年人的循环尿酸水平超过其溶解度极限，这与痛风疾病有因果关系。在大多数哺乳动物中，尿酸的清除由尿酸酶促进。然而，人类尿酸酶是一个假基因，在人类进化的早期已经失活。尽管人们早就知道尿酸在肠道中被清除，但肠道微生物群在高尿酸血症中的作用尚未被研究。在本研究中，我们发现了一个广泛分布的细菌基因簇，该基因簇编码尿酸降解通路。稳定同位素示踪表明，肠道细菌将尿酸代谢为黄嘌呤或短链脂肪酸。清除尿酸酶缺陷小鼠的微生物群可导致重度高尿酸血症，而厌氧菌靶向抗生素可增加人类痛风的风险。这些数据揭示了肠道微生物群在尿酸排泄中的作用，并强调了微生物群靶向治疗高尿酸血症的潜力。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867423006876?via%3Dihub

参考文献

1.Liu Yuanyuan,Jarman J Bryce,Low Yen S et al. A widely distributed gene cluster compensates for uricase loss in hominids.[J] .Cell, 2023, 186: 3400-3413.e20.

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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