原創 BioArt BioArt 2019-04-24
人體腸道微生物通過產生成千上萬個小分子代謝物，影響幾乎所有的宿主生理活動，從調節腸道免疫到影響宿主情緒和行為【1-5】。這些腸道微生物產生的小分子代謝物可以局部作用於腸道，或者在血液中富集達到幾個毫摩爾(mM)【1,6-8】。最近發表的一系列工作通過最新的基因組和代謝組方法，揭示了複雜的腸道微生物代謝物可能影響宿主生理活動，同時腸道微生物也會影響食物來源的小分子和化學藥物的消化吸收【9-14】。這些研究都強調繼續發開新方法來尋找有生物活性的腸道微生物代謝物的重要性。
G蛋白偶聯受體(GPCR)是最大的膜蛋白家族，是感受許多小分子的受體並且多方位調節人的生理活動，包括視覺、情感、痛覺和免疫等等【15】。腸道內的GPCR可以感受細菌代謝物，比如短鏈脂肪酸可以被GPR41/GPR43感受，丙酮酸和乳酸可以被GPR31感受，以及最近的一系列研究持續發現腸道微生物來源的GPCR配體可以調節宿主生理活動【2,4,16】 。因此，腸道微生物代謝物是一個潛在的豐富的GPCR配體庫。
但是對於大部分的腸道微生物代謝物，它們的功能未知，其中主要原因之一是缺少一個可以對所有腸道微生物代謝物進行系統性篩選的體系，從中尋找可以調控宿主生理活動的腸道微生物代謝物。
2019年4月18日，耶魯大學醫學院Noah Palm團隊（第一作者為陳海威博士）在Cell雜誌上發表題為A Forward Chemical Genetic Screen Reveals Gut Microbiota Metabolites That Modulate Host Physiology的長文，利用大規模篩選揭示了腸道微生物代謝物可以影響宿主的生理功能。
這篇研究藉助了GPCR領域的一種高通量篩選工具(PRESTO-Tango)【17】，通過GPCR活化來尋找可以調控宿主生理功能的腸道微生物代謝物。研究者通過對一百多種腸道微生物的代謝物對幾百種人GPCR之間進行篩選，主要由以下幾方面的成果：
(1) 發現多種腸道微生物可以產生激活GPCR的代謝物。
(2) 揭示了腸道內“食物-腸道微生物-宿主軸”和“腸道微生物-腸道微生物-宿主”軸。
(3) 顯示腸道微生物代謝物可以局部和系統性影響宿主生理活動。
專家點評
朱書（中國科學技術大學教授，主要從事免疫與腸道微生物相關研究工作）
我在耶魯免疫系Richard Flavell實驗室博士後研究期間曾與本文通訊作者Noah Palm共事4年。Noah Palm在耶魯免疫系Ruslan Medzhitov實驗室進行博士研究期間主要研究蜂毒誘導的II型過敏反應(N Palm, Immunity, 2013)，在Richard Flavell實驗室進行博士後研究期間Noah曾和另外一位博士後Marcel一起利用致炎性腸道細菌更易結合IgA的特性發明瞭IgA sequencing，使用IgA標記先進行細菌的流式分選，然後再進行16S測序來高效篩選致病性細菌(N Palm, Cell, 2014)。
在耶魯成立自己的實驗室之後，Noah主要的研究興趣在於研究腸道微生物如何影響免疫反應進而影響生理和病理進程。Noah實驗室除了進一步把發明的IgA seq應用到人類疾病炎症性腸病（IBD）和二型糖尿病（T2D）的致病性菌株的發現當中，也發展和應用了一系列新的篩選系統研究腸道微生物和微生物代謝物對宿主免疫系統的影響。本研究就利用了PRESTO-Tango系統來篩選能激活腸道GPCR的細菌代謝物（H Chen and N Palm, Cell, 2019）。PRESTO-Tango 是2015年開發出來的基於β-arrestin-recruitment assay來篩選全新激活GPCR的配體的平臺。Noah Palm實驗室的陳海威博士從11個IBD病人的糞便標本中分離出來144個腸道菌株，隨後使用這些菌株的培養上清（代謝物混合物）去刺激PRESTO-Tango體系中314個表達GPCR的reporter細胞，不僅驗證了這些代謝物可以激活一些Well-Characterized GPCR，同時也發現可以激活一些全新的尚未找到配體的Orphan GPCRs。通過screening，海威博士發現一類腸道菌M. morganii 可以將食物中的histidine轉化為histamine（組胺，1957諾貝爾生理學或醫學獎授予抗組胺），並調節腸道蠕動。海威博士還發現M. morganii可以將必需氨基酸L-Phe 轉化為可穿透血腦屏障的精神類藥物主要成分苯乙胺（phenethylamine）, 使用苯乙胺且同時抑制單胺氧化酶（ monoamine oxidase）的情況下會造成人的死亡。
這個工作使用一個獨特的篩選工具來發現全新的細菌代謝物對於宿主生理過程的調節，對於剖析和加深理解細菌代謝組及其與宿主的聯繫有著極大的幫助。本工作得到了耶魯大學研究代謝產物化學性質的Jason Crawford、使用yeast display研究微生物和宿主相互作用的Aaron Ring、以及哈佛大學研究GPCR結構的Andrew Kruse的幫助，體現了當前腸道微生物研究當中越來越多的免疫學、微生物學、結構生物學以及化學的交叉融合。
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