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共生的细菌被认为在人类健康有重要的作用。它们影响哺乳动物生理学的机制仍然知之甚少,但细菌的代谢产物可能是宿主相互作用的关键组件。这里我们利用生物信息学和合成生物学我人类微生物群N酰基氨基化合物相互作用G-protein-coupled受体(GPCRs)。我们发现N酰基酰胺合酶基因在胃肠道细菌和丰富的脂质编码与GPCRs调节胃肠道生理机能。鼠标和细胞模型证明共生体GPR119受体激动剂调节葡萄糖代谢激素和体内平衡人类配体一样有效,尽管未来的研究需要定义人类潜在的生理作用。我们的研究结果表明,化学真核信号分子的模仿可能普遍共生的细菌和微生物群的操纵基因编码代谢物引起宿主细胞反应代表一个可能的小分子治疗方法(microbiome-biosynthetic基因治疗)。
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2018年4月04
请参见附带的勘误表(http://doi.org/10.1038/nature25997)。描述在人类粪便样本的方法用于扩展数据图9中给出的分析已经纠正,与患者年龄、性别和移植现在提供的指示表添加到扩展数据图9所示。报告总结已更新。原文已经被在线修正。
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确认
我们感谢高通量和光谱资源中心,中心的临床与转化科学和比较洛克菲勒大学生物科学中心使用的设施;西南大学的成员Mangelsdorf实验室积累和d德鲁克在西奈山医院,多伦多GLUTag细胞系的使用;a . Milshteyn a Estrela和j·克雷格·评论的手稿。这项工作是支持的部分资金罗伯逊基金会基础和转化研究中心的消化系统的疾病,利昂娜·m·哈里b·赫尔姆斯利慈善基金,Rainin基金会U01 GM110714-1A1 (S.F.B.) GM122559-01 (S.F.B.),克罗恩氏和结肠炎基金会事业发展奖(L.J.C.)和趋势,K08 DK109287-01 (L.J.C.)。
作者信息
作者和联系
贡献
L.J.C. S.F.B.设计研究;L.J.C.协助所有实验;S.-H.K.辅助分子表征;E.A.G.,P.Y.C., J.K.B. and R.R.A. assisted with gene cloning; D.E., A.B.E., S.M.H., C.H. and A.R. assisted with mouse experiments; J.C., X.V.-F., J.K. assisted with molecule synthesis; A.J.P. and J.R.C. assisted with metabolite analysis in human and mouse samples; L.J.C. and C.L. analysed data; L.J.C. and S.F.B. wrote the paper.
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有竞争的经济利益。
额外的信息
审核人信息自然由于d·j·德鲁克,另一个匿名的评论家(s)为他们的贡献的同行评审工作。
出版商的注意:施普林格自然保持中立在发表关于司法主权地图和所属机构。
扩展数据数据和表
扩展数据图1分析hm-NAS克隆的家庭。
一个、质原油提取准备的分析大肠杆菌与每个hm -转换NAS基因表达构建(1-58数量,见补充表1每个克隆数量细节)相比,负控制提取来自大肠杆菌包含一个空向量(Con)。代谢物的基础上保留时间和观察质量hm -NAS基因可以分为6N酰基氨基家庭(1 - 6)。的质量主要代谢物(如图)N酰基氨基家庭所示ESI+或应急服务国际公司−为每个hm-NAS提取质谱检测模式,包括控制提取。功能差异NAS酶跟随NAS系统树的模式,与hm -NAS相同基因的进化枝或sub-clade主要编码相同的代谢物。Commendamide(通讯)以前孤立和是家庭1 (ref的一部分。3)。bPFAM13444系谱树,显示每个hm -的位置NAS我们合成的基因,并分析了由不同的表达式。c,原油乙酸乙酯提取物是从文化准备的细菌物种包含相同或高度相关(> 80%核苷酸身份)hm -NAS基因表达的不同的表达。唯一的例外是N酰基丙氨酸家族,代表培养共生的细菌物种并不是可用的。N酰基甘氨酸以前以同样的方式进行了分析3。hm的extracted-ion色谱-NAS基因家族的显示大肠杆菌克隆相比的粗提物共生的物种。家庭6 hm-NAS克隆58图c而不是在一个由于格式限制。
扩展数据图2提出的生物合成N酰基serinol。
提出了两步合成的N酰基serinol hm -使用两个域编码NAS N酰基serinol合成酶基因。
图3扩展数据验证高通量GPCR的点击屏幕。
当结构类似物在GPCR独立筛选面板(例如,N油酰和棕榈酰serinol或N3-hydroxypalmitoyl赖氨酸和鸟氨酸),当他们取得了同样的GPCR概要文件N酰基serinol所有GPCRs re-assayed在面板上,也产生了同样的GPCR活动概要。一个,b,N3-hydroxypalmitoyl赖氨酸和鸟氨酸与S1PR4交互。*没有重复。b插图的技术重复N3-hydroxypalmitoyl鸟氨酸剂量反应曲线。c,d、技术的重复N棕榈酰serinol。c- - - - - -e,N棕榈酰和油酰serinol GPR119相互作用。筛选数据进行一次,剂量反应曲线进行复制。数据均值±s.e.m。
扩展数据图4蛋白质相结合的分析方法和记录GPCRs在胃肠道的表情。
GPCR之间的联系,N酰氨基、细菌属和胃肠道中的这些共现的地方(彩色)所示。蛋白表达的基础上的数据(人类蛋白质图谱)GPR119最胰腺和十二指肠中高度表达,S1PR4在脾脏和淋巴结,G2A在淋巴结和附录,PTGIR肺癌和附录和PTGER4骨髓和小肠。从基因表达数据中冒号(GTEx数据集,n= 88病人样本小肠,345病人样本结肠)GPR132 PTGER4和PTGIR都表达了一起N酰合成酶基因编码代谢物,这些GPCRs目标(图1)。在胃肠道,GPR119和S1PR4最高度表达在小肠16 s的研究已经确定了细菌的属Gemella和奈瑟氏菌属。所有已知的参考基因组(NCBI)从这些属包含N酰合成酶基因非常相似(BLASTNE= 2×10−132),我们发现编码GPR119或S1PR4配体37,43,44。
扩展数据图5 GPR119的二次分析。
ACTOne HEK293细胞(控制)和ACTOne HEK293细胞转染GPR119受到克分子数相等的内生GPR119配体浓度OEA或细菌的配体N油酰serinol。相对荧光强度被记录为每个配体浓度与背景信号。所有数据点都是一式四份,执行数据意味着南达科他州±。营浓度的增加在HEK293细胞表达GPR119,但不是控制HEK293细胞。DCEA (5 - (N-ethylcarboxamido)腺苷)控制提出了确认阵营回应父母的细胞系。欧共体50为N油酰serinol(细菌)是1.6μM oleoylethanolamide 5.1μM,符合β-arrestin化验的数据(图5)。
扩展数据图6的识别N酰基serinol生物合成在活的有机体内。
一个、质原油盲肠的提取分析。Extracted-ion色谱对棕榈酰serinol ([M + H)+m / z:330.3003)所示。与相同的质量和色谱峰保留时间的N棕榈酰serinol标准出现在治疗老鼠但不是控制老鼠。治疗小鼠殖民大肠杆菌包含N酰基serinol合成酶基因。控制老鼠的殖民地大肠杆菌包含空pET28c向量。b的识别,N棕榈酰serinol的MS / MS碎片米/z330.3003离子。在一份光谱钻石表示N棕榈酰serinol父离子和离子的产品m / z:92.0706显示了serinol头组的存在。
扩展数据图7小鼠模型系统的细菌殖民化。
一周后接种大肠杆菌,一个从殖民老鼠收集粪便颗粒,400年resuspendedμl PBS和镀1:10 0稀释到50磅琼脂板上有或没有卡那霉素μg毫升−1。一个每10个,菌落的数量−6克粪便磅平皿上观察到与卡那霉素治疗组相似(大肠杆菌hm -NAS的基因,n= 6小鼠粪便样本)和对照组(大肠杆菌用空向量,n= 8老鼠粪便样本)。bantibiotic-treated鼠群,其他殖民细菌存在。粪便样本产生三倍相比,更没有磅平皿上菌落磅卡那霉素的琼脂板上。数据均值±s.e.m。在这两种情况下,当随机殖民地从磅卡那霉素盘子,所有殖民地被发现包含克隆载体。表明,这些实际上是大肠杆菌殖民的细菌。
扩展数据图8N酰基serinol合酶突变点。
质分析原油从文化的提取做好准备大肠杆菌表达的N酰基serinol合成酶基因或N酰基serinol合成酶基因与一个活跃的网站点突变(E91A)。N酰基serinol代谢物(例如,N棕榈酰serinol和N油酰serinol)缺席的文化与点突变(ESI肉汤+模式)。这种突变是解决有可能观察到的老鼠表型是由于生产过剩的蛋白质大肠杆菌和没有特别N酰基serinol生产。
扩展数据图9检测n -酰胺在人类粪便样本。
高分辨率反相质分析人类的粪便从128个样本中提取集中代表21个人。Extracted-ion色谱对个人N酰基氨基化合物内2所示件分宽容的确切质量(M + H)。观察到的化合物存在于人类的粪便提取物经校准的标准(上)和上升的纯化合物(数据没有显示)。没有两性离子N酰基氨基化合物(N酰基或N-acyloxyacyl鸟氨酸/赖氨酸)被发现。病人的人口分布表中提供。人类粪便样本收集与知情同意在MSKCC机构审查委员会数字09 - 167 09 - 141、06 - 107。
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科恩,L。,Esterhazy, D., Kim, SH.et al。共生的细菌使GPCR配体,模仿人类的信号分子。自然549年48-53 (2017)。https://doi.org/10.1038/nature23874
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