耶鲁大学：炎症性肠病患者的共生菌群产生遗传毒性代谢物

背景

肠道微生物群可能通过产生小分子遗传毒素而潜在地促进结直肠癌 (CRC)的发生和发展。例如，选定的共生大肠杆菌菌株会产生源于典型微生物群的遗传毒素大肠杆菌素，从而在肠道上皮细胞中形成DNA双链断裂 (DSBs)，并在小鼠模型中加重CRC。此外，人类CRCs具有大肠杆菌素相关的突变特征，这意味着在CRC中微生物群诱导的DNA损伤具有直接作用。然而，大肠杆菌素以外的微生物群源性遗传毒素的影响在很大程度上仍未被探索。

图. 从IBD患者体内分离出的人类肠道菌群会产生小分子遗传毒素

简介

2022年10月28日，来自美国耶鲁大学的Yiyun Cao及其团队在Science (IF: 41.845)杂志上发表名为Commensal microbiota from patients with inflammatory bowel disease produce genotoxic metabolites的研究[1]。

主要结果

我们从人类微生物群中鉴定了不同的细菌，其小分子代谢物在细胞游离和细胞基础DNA损伤试验中均引起遗传毒性。例如，来自革兰氏阳性菌 (包括产气荚膜梭菌和分枝梭菌菌株)和革兰氏阴性菌 (包括多重摩根氏菌菌株)的小分子代谢物在无细胞检测中直接破坏DNA，并诱导上皮细胞中DSB标记物g-H2AX的表达和细胞周期停滞。然而，由这些代谢物引起的DNA损伤模式不同于大肠杆菌素诱导的交联，并且这些分离株缺乏产生大肠杆菌素或其他已知基因毒素的生物合成机制。因此，这些数据暗示了以前未被认可的微生物来源的基因毒素的存在。

建立鉴定炎症性肠病患者的遗传毒性肠道微生物的管道

我们建立了一条管道，根据人类肠道微生物直接破坏DNA的能力来筛选它们。然后，我们将该管道应用于由11例炎症性肠病 (IBD)患者粪便样本的厌氧培养物组配的肠道微生物群培养物采集，因为IBD患者发生CRC的风险显著增加。该集合包括122个细菌分离物，跨越5个门、9个纲、10个目和17个科，以及被分配到相同物种的多个菌株 (图1A)。

图1. 建立从IBD患者中鉴定具有遗传毒性肠道菌群的途径

一种以前未被表征的细菌脱羧酶是合成吲哚亚胺所必需的

所有由摩根分枝杆菌衍生的吲哚亚胺都含有一个功能性亚胺基团，它很可能是由伯胺 (异淀粉酶、异丁胺和苯乙胺)和吲哚-3-醛 (IAld)的自发缩合产生的 (图4A)。伯胺是微生物代谢产物，可由氨基酸通过细菌脱羧酶介导的一步反应合成。基于全基因组测序，摩根分枝杆菌NWP135编了码18种预测的脱羧酶，包括3种脱羧酶 (Peg1085、Peg1320和Peg3098)，这些脱羧酶与来自绿色链霉菌的先前表征的缬氨酸脱羧酶部分同源 (图4B)。我们将这三种候选去羧化酶的密码子优化DNA序列转化到大肠杆菌中，用IPTG法诱导蛋白表达，并用IAld和相关氨基酸前体 (亮氨酸、缬氨酸或苯丙氨酸)喂养每种培养物。在NCBI注释为吡哆醛依赖性十羧基酶或天冬氨酸转氨酶 (AAT)超家族 (折叠型I)的Peg1085在大肠杆菌中的表达 (图4B)使得能够基于QTOF-MS鉴定稳健地生产吲哚亚胺-214、吲哚亚胺-200和吲哚亚胺-24 8(图4C)。因此，编码AAT I (Peg 1085)的AT基因能够合成吲哚亚胺。

图4. 由aat基因编码的摩根分枝杆菌的脱羧酶能够合成吲哚亚胺

产吲哚亚胺的摩根分枝杆菌在定菌小鼠中诱导肠通透性增加并加重结肠肿瘤负荷

为了评估摩根分枝杆菌衍生的吲哚亚胺在体内的影响，我们首先用单结肠化小鼠比较了aat+和aat-摩根分枝杆菌菌株对肠道上皮的影响。我们发现，与aat-摩根分枝杆菌定殖小鼠相比，定植aat+摩根分枝杆菌并喂食IAld和亮氨酸 (吲哚胺-214的前体)的小鼠小肠通透性显著增加 (图6A)。此外，结肠肠上皮细胞的RNA-seq和差异表达基因的基因本体论分析显示，在aat+摩根分枝杆菌定殖小鼠中，参与细胞周期调节、染色体分离和DNA生物合成的基因表达增加 (图6B)。总之，这些数据表明，吲哚胺可能导致体内DNA复制异常和IEC增殖异常。

图6. 产吲哚胺的摩根分枝杆菌可诱导定菌小鼠肠道通透性增加，加重结肠肿瘤负担

结论及展望

通过利用基于功能的微生物群评估，我们发现了更广泛的微生物群衍生小分子遗传毒素的存在。我们发现，从IBD患者中分离的各种细菌菌株表现出DNA损伤活性，并发现了一个以前未描述的遗传毒素家族，称为吲哚亚胺，由IBD和CRC相关物种摩根氏菌产生吲哚亚胺。在无症状小鼠中，有机物增加了肠道通透性并加剧了结肠肿瘤的发生。总体而言，这些研究表明，微生物群源性遗传毒素在塑造宿主生物学和疾病易感性方面的作用有所扩大。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm3233

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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