Science丨化學學院雷曉光教授與合作者發現腸道菌群調控二型糖尿病的新機制與化學幹預新方法

       目前，中國是全球糖尿病第一大國，2019年我國二型糖尿病患病人數為1.274億人，在人口老齡化和快速城市化帶來不良的生活方式下，我國糖尿病人口數量還将明顯增加。腸道微生物作為連接人體内外環境的橋梁，已被證明在多種人類代謝性疾病發生發展中發揮重要作用。然而，糞菌移植等靶向整體腸道菌群的幹預措施仍具有成分複雜、可控性差等局限，腸道菌群調控代謝性疾病的關鍵介質與作用機制亟待深入解析用以發現特異性靶點與幹預措施。腸道共生菌的各種酶在代謝産物的生成及代謝過程中也發揮着重要作用。此外，腸道菌源酶還具有多種非代謝産物依賴的功能，但它們在宿主代謝性疾病中的作用尚不清晰。

　　beat365官方网站/北大-清華生命科學聯合中心雷曉光教授團隊與beat365醫學部基礎醫學院/beat365第三醫院醫學創新研究院姜長濤教授團隊、beat365第三醫院/北大-清華生命科學聯合中心喬傑教授團隊、美國國立衛生研究院Frank Gonzalez教授團隊、以及首都醫科大學朝陽醫院王廣教授團隊合作，于2023年8月4日在Science雜志在線發表了題為Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target的研究論文，首次提出了腸道菌源宿主同工酶（Microbial-host-isozyme，MHI）新概念，發現菌源宿主同工酶在腸道中廣泛存在，可以模拟宿主酶的功能，并參與疾病的發生發展。其中，菌源二肽基肽酶4（DPP4）是一種重要的同工酶，可以在腸屏障損傷條件下進入腸組織，降解宿主活性GLP-1，誘導糖耐量異常。宿主DPP4抑制劑西格列汀無法有效抑制菌源DPP4活性，是西格列汀臨床治療響應性個體差異大的重要原因。進一步，通過高通量藥物篩選以及深入的功能驗證，研究團隊發現了首個對菌源DPP4具有高活性和強選擇性的小分子抑制劑天然産物衍生物Daurisoline-d4，可以通過特異性抑制菌源DPP4，改善糖耐量異常，從而對二型糖尿病具有潛在的治療效果。

圖1. 工作摘要圖

　　在評估菌源宿主同工酶活性的過程中，研究人員發現宿主DPP4的菌源同工酶活性在不同個體中表現出了最強的穩定性和普遍性。DPP4是一種絲氨酸水解酶，宿主DPP4可以通過水解并失活胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）等胃腸道多肽類激素，發揮調控胰島素分泌等多種生理功能，是2型糖尿病及其相關代謝紊亂的重要幹預靶點。然而，GLP-1主要由腸組織釋放進入循環，而腸道菌群産生的蛋白類物質主要聚集于腸腔，那麼，菌源DPP4是否可以接觸宿主GLP-1，發揮宿主DPP4類似的病生理功能？研究人員發現在長期高脂飲食處理、低濃度葡聚糖硫酸鈉（DSS）、吲哚美辛等誘導的腸屏障受損條件下，菌源DPP4可以進入腸組織，顯著降低活性GLP-1水平、誘導糖耐量異常。腸屏障損傷是包括2型糖尿病在内的多種代謝性疾病的共同病理特征，因此，菌源DPP4可以在腸屏障受損的條件下，進入宿主體内，跨物種誘導糖耐量異常。通過腸道共生菌株的分離培養、DPP4活性檢測、基于CRISPR-Cas系統的厭氧菌基因敲除體系以及多種動物模型，研究人員發現了多形拟杆菌、普通拟杆菌等多種拟杆菌屬細菌均具有菌源DPP4活性，并鑒定了菌源DPP4的編碼基因。多形拟杆菌可以以菌源DPP4依賴的方式降低宿主活性GLP-1水平，誘導高脂飲食小鼠糖耐量異常。以上發現揭示了腸道菌群影響代謝性疾病的全新病理基礎與作用機制。

　　DPP4抑制劑西格列汀在臨床上廣泛用于2型糖尿病的治療，是2021年全球銷量第二的抗糖尿病小分子藥物。然而，西格列汀的治療效果具有較大的個體差異，臨床研究發現，西格列汀對約40%的患者無法發揮有效降糖作用，其機理尚未闡明。菌源DPP4是否有可能在其中發揮了一定作用？利用酶活抑制實驗及西格列汀與菌源DPP4的共結晶分析，研究人員發現目前西格列汀等針對人DPP4開發的治療藥物對菌源DPP4的抑制作用較弱。研究人員進一步招募了57名初診2型糖尿病患者進行了為期3個月的西格列汀幹預研究，與此前報道一緻，不同患者對西格列汀幹預的療效具有較大的個體差異。基于多組學關聯分析、菌群移植、噬菌體靶向幹預實驗，研究人員發現多形拟杆菌産生的btDPP4介導了西格列汀的臨床響應性，為西格列汀臨床響應性個體差異提供了分子機理與作用靶點。

圖2. 臨腸道菌源DPP4影響臨床西格列汀療效

　　上述結果提示菌源DPP4是2型糖尿病的新型菌源治療靶點。因此，研究人員建立了靶向菌源DPP4的高通量藥物篩選體系，通過對約11萬個小分子化合物的高通量藥物篩選，發現了傳統中藥北豆根中活性成分天然産物蝙蝠葛蘇林堿daurisoline (Dau) 具有最強的菌源DPP4抑制活性，而對宿主DPP4沒有抑制作用。經過進一步的化合物結構改造與活性評價，研究人員确定了蝙蝠葛蘇林堿的衍生物Dau-d4是一種強效高選擇性的菌源DPP4抑制劑，并且通過晶體結構解析揭示了Dau-d4特異性地抑制菌源DPP4而對宿主DPP4無抑制作用的結構基礎。Dau-d4可以通過抑制菌群DPP4來改善糖耐量，同時，Dau-d4對腸道共生菌的生長與組成則沒有明顯影響，這些結果表明，Dau-d4可以在不幹擾菌群整體功能的條件下，特異性靶向菌源DPP4，有效改善小鼠糖代謝紊亂。

圖3. 高通量篩選發現菌源DPP4特異性抑制劑

　　腸道菌群調控代謝性疾病的分子機制與靶向幹預研究不僅是代謝性疾病研究的重要方向，同時也是腸道菌群領域進入精準化、靶向性研究階段的關鍵環節，本工作提出了腸道菌源宿主同工酶全新概念，以此為基礎探索了菌源宿主同工酶在代謝性疾病的發病及治療過程中的重要作用，并構建了“靶點發現—機制驗證—藥物篩選—療效驗證”的全鍊條研究體系，為後續基礎研究與臨床治療提供了新的研究思路與方向。解析腸道菌源酶的功能和在代謝性疾病中的作用，有望實現特異性調控菌株功能且不影響菌群組成，從而為靶向腸道菌群的代謝性疾病精準化治療帶來新的突破。

　　姜長濤教授、喬傑教授、雷曉光教授、Frank Gonzalez教授與王廣教授為本文的共同通訊作者。beat365醫學部基礎醫學院博士後汪锴、beat365醫學部基礎醫學院博士生張志威、beat365第三醫院杭婧副研究員、首都醫科大學朝陽醫院劉佳教授以及beat365官方网站博士後郭富生為本文的共同第一作者。該工作得到國家自然科學基金，國家科技部重點研究發展計劃，北京市“卓越青年科學家計劃”，北京分子科學國家研究中心、北大-清華生命科學聯合中心等多個國家重大科研項目和研究機構的資助。

　　原文鍊接：http://doi.org/10.1126/science.add5787