跳转到主页内容
访问键 NCBI主页 MyNCBI主页 主要内容 主导航
比较研究
． 2017年9月7日,549(7670):48-53。
doi: 10.1038 / nature23874。 Epub 2017 8月30日。

共生细菌制造模仿人类信号分子的GPCR配体

路易斯·J·科恩12， Daria Esterhazy3.， Seong-Hwan金1， 克利斯朵夫Lemetre1， 里安农R Aguilar1， 艾玛的戈登1， 阿曼达·J皮卡德4， 贾斯汀R交叉4， 安娜埃米利亚诺·B5， 太阳米汉1， 约翰·楚1， 泽维尔Vila-Farres1， 杰里米Kaplitt1， Aneta Rogoz3.， Paula Y Calle1， 克雷格·亨特6， J Kipchirchir Bitok1， 肖恩·F·布雷迪1
从属关系
免费的PMC的文章
比较研究

共生细菌制造模仿人类信号分子的GPCR配体

路易斯·J·科恩et al。 自然． ．
免费的PMC的文章

排错在

  • 勘误:共生细菌制造模仿人类信号分子的GPCR配体。
    Cohen LJ, Esterhazy D, Kim SH, lemitt C, Aguilar RR, Gordon EA, Pickard AJ, Cross JR, Emiliano AB, Han SM, Chu J, Vila-Farres X, Kaplitt J, Rogoz A, Calle PY, Hunter C, Bitok JK, Brady SF。 Cohen LJ，等。 《自然》2018年4月4日;556(7699):135。doi: 10.1038 / nature25997。 自然》2018。 PMID:29620727

摘要

共生细菌被认为在人类健康中起着重要作用。它们影响哺乳动物生理的机制尚不清楚，但细菌代谢物可能是宿主相互作用的关键成分。在这里，我们使用生物信息学和合成生物学来挖掘人类微生物群中与g蛋白偶联受体(GPCRs)相互作用的n-酰基酰胺。我们发现n -酰基酰胺合成酶基因在胃肠道细菌中富集，它们编码的脂质与调节胃肠道生理的GPCRs相互作用。小鼠和细胞模型表明，共生体GPR119激动剂与人类配体一样有效地调节代谢激素和葡萄糖稳态，尽管还需要进一步的研究来确定它们在人类中的潜在生理作用。我们的研究结果表明，真核生物信号分子的化学拟态可能在共生细菌中很常见，而操纵微生物区系基因编码代谢产物引起宿主细胞反应代表了一种可能的小分子治疗方式(微生物生物合成基因治疗)。

利益冲突陈述书

竞争性财务权益表

这项研究的作者没有竞争的经济利益需要声明。

数据

扩展数据图1
图1.扩展数据hm-NAS克隆族分析
一个,粗提物的LCMS分析大肠杆菌转换与每个hm-NAS基因表达结构(编号1 - 43，关于每个克隆号的详细信息见补充表1)与阴性对照提取的大肠杆菌包含一个空向量(con)。根据代谢物保留时间和观察到的质量hm-NAS基因可分为6类N-酰基酰胺族(1-6)。各主要代谢物的质量(如图)N-酰基酰胺家族显示在ESI(+)或ESI(−)MS检测模式的每个hm-NAS提取物，包括对照提取物。NAS酶的功能差异遵循NAS系统发育树的模式hm-NAS来自同一支或亚支的基因主要编码相同的代谢物家族。赞颂酰胺以前被隔离，是家族1的一部分。b,PFAM13444的系统发育树显示了每个位点hm-NAS通过异源表达法检测合成的基因。c,粗乙酸乙酯提取物是从具有相同或高度相关(>80%核苷酸同源性)的细菌种的培养物中制备的。hm-NAS异源表达的基因。唯一的例外是N-酰基丙氨酸，其代表性的培养共生菌种没有得到。N-酰基甘氨酸以前也用同样的方法分析过。提取的离子hm-NAS基因家族显示为大肠杆菌与共生种粗提取物的克隆比较。对于6号家族hm-NAS, 58号克隆如图所示c而不是一个由于格式限制。
扩展数据图2
图2.扩展数据提出了生物合成的N酰基serinol
提出两步生物合成N-酰基丝氨酸使用在酶中发现的两个域预测编码hm-NAS N-酰基丝氨酸合成酶基因。简单的N-所有20种天然氨基酸的棕榈酰衍生物对GPR119的激活率相对于OEA不超过37%。
扩展数据图3
图3.扩展数据高通量GPCR筛选结果的验证
当结构类似物在GPCR面板中独立筛选时(例如,N-油酰和棕榈酰丝氨酸或N-3-羟基棕榈酰赖氨酸和鸟氨酸)它们产生了相同的GPCR图谱N-酰基丝氨酸对所有GPCRs进行了重新检测，也得到了相同的GPCR活性谱。a、b N-3-羟基棕榈酰赖氨酸和鸟氨酸都与S1PR4相互作用。*没有重复。b,插入技术重复N-3-羟基棕榈酰鸟氨酸剂量响应曲线。c, d技术重复N棕榈酰serinol。c, d, e N-棕榈酰和油酰丝氨酸都与GPR119相互作用。单份筛选数据，双份剂量响应曲线。误差条为平均值+/−SEM。
扩展数据图4
图4.扩展数据GPCR在胃肠道中的蛋白和转录本表达的联合分析
GPCR表链接,N-酰基酰胺，细菌属和它们在胃肠道中共同出现的部位(有颜色)。根据蛋白表达数据(Human protein Atlas)， GPR119在胰腺和十二指肠中表达最多，S1PR4在脾脏和淋巴结中表达最多，G2A在淋巴结和阑尾中表达最多，PTGIR在肺和阑尾中表达最多，PTGER4在骨髓和小肠中表达最多。从结肠中的基因表达数据(GTEx数据集，来自小肠的88例患者样本，来自结肠的345例患者样本)来看，GPR132、PTGER4和PTGIR都与N-酰基合成酶基因编码以这些GPCR为目标的代谢物(图1)。在胃肠道中，GPR119和S1PR4在小肠中表达最高，16S研究已经确定了该属的细菌Gemella而且奈瑟氏菌属。来自这些属的所有已知参考基因组(NCBI)包含N-酰基合成酶基因与我们发现的编码GPR119或S1PR4配体的基因高度相似(blastN, e值2e-132)。，，
扩展数据图5
图5.扩展数据GPR119的二次检测
将转染GPR119的ACTOne HEK293细胞(对照组)和转染GPR119的ACTOne HEK293细胞暴露于等摩尔浓度的内源性GPR119配体油酰乙醇酰胺或细菌配体N油酰serinol。记录每种配体浓度的相对荧光强度，并与背景信号进行比较。所有数据点均重复四次，误差条表示均值附近的SD。cAMP浓度在表达GPR119的HEK293细胞中升高，而在原生HEK293细胞中未见升高。采用DCEA [5 - (n -乙基羧胺)腺苷]对照来证实亲代细胞系的cAMP反应。的EC50N-油酰丝氨酸(细菌)为1.6µM，油酰乙醇酰胺为5.1µM，这与β-阻滞素试验的数据一致(图5a)。
扩展数据图6
图6.扩展数据的识别N酰基serinol生物合成在活的有机体内
a，盲肠粗提取物的LC-MS分析。棕榈酰丝氨酸的萃取离子色谱法([M+H])+ m / z: 330.3003)。一种质量和色谱保留时间完全相同的峰N-棕榈酰丝氨酸标准物在治疗小鼠中存在，而在对照组小鼠中不存在。治疗小鼠定植大肠杆菌包含N-酰基丝氨酸合成酶基因。对照组小鼠定植大肠杆菌包含空pET28c向量。b,识别N-棕榈酰丝氨酸经MS/MS裂解成m/z 330.3003离子。在MS2光谱中，钻石表示N-棕榈酰丝氨酸母离子和产物离子在m / z: 92.0706表示丝氨酸基团的存在。
扩展数据图7
图7。小鼠模型系统的细菌定植
接种后一周大肠杆菌收集定植小鼠的单个粪便颗粒，重新悬浮在400 μ L PBS中，以1/100稀释的比例沉积在LB琼脂板上，添加或不添加卡那霉素50 μ g/mL。一)每10个菌落形成单位的数目−6在LB琼脂板上加卡那霉素观察到的粪量与治疗组相似(大肠杆菌与hm-NAS基因，N = 6小鼠粪便样本)和对照组(大肠杆菌空载体，N = 8个小鼠粪便样本)。b)在抗生素治疗的小鼠队列中有其他定植细菌存在。粪便样本在未选择的LB琼脂板上产生的菌落形成单位比有卡那霉素的LB琼脂板多三倍。错误条a、b为均值+/−SEM。在这两种情况下，当从LB/卡那霉素培养皿中随机提取菌落时，它们都被发现含有克隆载体，这表明它们实际上是大肠杆菌殖民的细菌。
扩展数据图8
图8.扩展数据N-酰基丝氨酸合成酶点突变体
培养物粗提物的LC-MS分析大肠杆菌表达的N-酰基丝氨酸合成酶基因或N-酰基丝氨酸合成酶基因位点突变(E94A)。N-酰基丝氨酸代谢物(例如,N棕榈酰serinol和N-油酰丝氨酸)在点突变培养液(ESI(+)模式)中缺失。这种突变是为了解决观察到的小鼠表型可能是由于生产过多的任何蛋白质大肠杆菌而不是专门从N酰基serinol生产。
扩展数据图9
图9.扩展数据人类粪便样本中n -酰基酰胺的检测
高分辨率反相LC-MS分析来自21个个体的128个样本的人类粪便提取物。提取个人离子色谱图N-酰基酰胺显示在精确质量(M+H)的2ppm公差范围内。观察到的化合物存在于人类粪便提取液中，通过校准真实标准(上面板)和通过添加纯化合物(数据未显示)确认。没有两性离子N酰基氨基化合物(N酰基或N-酰基氧基鸟氨酸/赖氨酸)。
图1
图1所示。hm-NAS胃肠道菌群中的基因
一个,系统发育树N-酰基基因来自PFAM13444。hm-NAS基因的分支顶端有一个圆圈。黑点没有合成，红点合成了但没有检测到分子，大灰点标记了产生的基因N酰基氨基化合物。分枝以细菌的系统发育为颜色。b,主要异源产生的代谢产物N-酰基族(1-6)显示。c, hm-NAS基于分子家族(1-6)的基因分布和丰度[每千基Reads of gene per Million Reads (RPKM)]。体位和分子命名一个都是基于c而且b．箱形图是1的中位数圣到3理查德·道金斯四分位数。分析的HMP患者样本包括N = 133舌，127斑块，148大便，122颊。
图2
图2。N-酰基合成酶基因表达在活的有机体内
一个,基因表达分析N酰基甘氨酸hm-NAS一个粪便meta转录组数据集和一个N-acyloxyacyl赖氨酸hm-NAS龈上斑块meta转录组数据集中的基因。基因表达归一化为细菌基因组中所有基因的表达hm-NAS异源表达的基因拟杆菌dorei在凳子上,Capnocytophaga ochracea斑块中(1例高表达，0例无表达)。b,的比较hm-NAS基因丰度基于从患者粪便样本中获得的RNA或DNA。丰度用RPKM来衡量。N = 24例患者粪便样本- 8例患者，每个患者3个样本。分析38例患者斑块样本。
图3
图3。嗯- - - - - -N-酰基GPCR活性筛选
屏幕上的N-酰基酰胺(颜色编码)对168个已知配体GPCRs的激动剂活性(一)以及72个孤儿GPCRs (b)．点图显示所有数据N-酰基酰胺对所有GPCRs进行检测。单张屏幕。条形图显示的是最强的N-酰基GPCR激动剂相互作用与所有GPCRs比较。插图显示剂量响应曲线和EC50数据(每次剂量一式两份)。c,屏幕上的N-酰基酰胺在内源性配体存在时作为拮抗剂。单张屏幕。我,PTGIR被N-acyloxyacyl谷氨酰胺。2PTGER4被结构多样化的hm-抑制N酰基氨基化合物。误差条为平均值+/−SEM。
图4
图4。GPCR配体的结构拟态
微生物区系编码配体与人类GPCR配体的比较表明两者在结构和功能上具有互补性。
图5
图5。N-酰基丝氨酸影响GLP-1的分泌在体外和葡萄糖稳态在活的有机体内
一个, β-使用微生物(绿色)和人类(蓝色)配体进行GPR119激活试验(每次剂量重复)。b, β-arrestin测定比较菌群配体和20合成N-棕榈酰氨基酸(单链筛选)。c,GLUTag细胞释放GLP-1(方差分析，p < 0.05，数据来自2个独立实验，N = 4 DMSO和2-油酰甘油，N = 6 OEA和N油酰serinol)。d,小鼠口服葡萄糖耐量试验(OGTT)。治疗小鼠(n = 6只，数据来自2个独立实验)定植大肠杆菌生产N-酰基丝氨酸醇和对照小鼠(n = 8只小鼠，数据结合2个独立实验)定植大肠杆菌包含空向量(双向方差分析，bonferroni post-hoc)e,OGTT后扣缴IPTG停止N-酰基基因表达(无差异，双向方差分析，N与中相同d)．f,抗生素治疗小鼠队列(两组n = 9只小鼠，数据来自2个独立实验，双向方差分析，bonferroni事后分析)。克,胰岛素(n = 6只，两组各1次，技术重复3次)和h,在抗生素治疗队列中，GLP-1 (n = 9只对照组小鼠，n = 10只治疗组小鼠，数据来自2个独立实验，技术重复)在灌糖后15分钟测定(非配对T检验，双尾)。关键细菌(绿色)和人类(蓝色)GPR119配体参考图颜色。误差条(平均值+/−SEM) * p < 0.05， ** p < 0.01 *** p < 0.001。
在PMC中查看此图片和版权信息

评论

类似的文章

查看所有类似文章

引用的

查看所有“被引用”的文章

参考文献

    1. Koppel N, Balskus EP。探索和认识人类微生物群的生物化学多样性。细胞化学生物学。2016;23:18-30。doi: 10.1016 / j.chembiol.2015.12.008。-DOI-PubMed
    1. 梅华德。化学生态学的回顾与展望。中国科学(d辑:自然科学版)2008;doi: 10.1073 / pnas.0800649105。-DOI-PMC-PubMed
    1. Cohen LJ，等。人类微生物组中细菌效应因子的功能宏基因组发现和GPCR G2A/132激动剂嘉奖酰胺的分离美国国家科学院院刊。2015 doi: 10.1073/pnas.1508737112。-DOI-PMC-PubMed
    1. Cani PD，等。内源性大麻素-处于肠道菌群和宿主代谢之间的十字路口。自然评论。内分泌学。2015 doi: 10.1038/nrendo.2015.211。-DOI-PubMed
    1. 调节人体健康和疾病中的内源性大麻素系统——成功与失败。2月j . 2013; 280:1918 - 1943。doi: 10.1111 / febs.12260。-DOI-PMC-PubMed

发布类型