人类微生物组编码抗糖尿病药物阿卡波糖的耐药性

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

在本研究中，我们使用基于宏基因组学的搜索策略，发现人类肠道和口腔微生物组的细菌成员编码酶，这些酶选择性地磷酸化临床使用的抗糖尿病药物阿卡波糖，导致其失活。阿卡波糖是人类和细菌α-葡萄糖苷酶的抑制剂，可限制目标生物体代谢复杂碳水化合物的能力。使用生化分析、X射线晶体学和宏基因组分析，我们表明微生物组衍生的阿卡波糖激酶对阿卡波糖具有特异性，为其保护生物体提供对抗阿卡波糖活性的保护优势，并且广泛存在于西方和非西方人群的微生物组中。这些结果提供了一个微生物群对非抗生素药物普遍耐药的例子，并表明阿卡波糖耐药性已在人类微生物群中传播，并作为对抗密切相关分子的潜在内源性生产者的防御策略。

论文ID

原名：The human microbiome encodes resistance to the antidiabetic drug acarbose

译名：人类微生物组编码抗糖尿病药物阿卡波糖的耐药性

期刊：Nature

IF：49.962

发表时间：2021年11月24日

通讯作者：Mohamed S. Donia

通讯作者单位：美国普林斯顿大学

DOI号：10.1038/s41586-021-04091-0

实验设计

28871645053469121

结果

1 人类微生物群对阿卡波糖的灭活作用

阿卡波糖是从土壤细菌放线菌SE50/110中发现并在工业上生产的。在生物合成基因簇（BGC）内编码一种用于阿卡波糖（acb）生产的自我抗性机制；一种特定的激酶AcbK在O6A羟基处磷酸化阿卡波糖，使其失去活性（图1a）。从概念上讲，任何编码相同功能的细菌都会对阿卡波糖产生类似的抗性。因此，我们使用两种方法在人类微生物组中计算搜索编码AcbK同源物的基因：（1）在NCBI和人类微生物组项目（HMP-1-1）组装的宏基因组支架上对细菌分离物的基因组进行BLAST搜索；（2）使用MetaBGC对来自五个不同队列（HMP，包括HMP-1-1和HMP-1-2，MetaHIT，Chinese和Fijicomp）的3212个人类微生物组样本的未装配宏基因组测序数据进行搜索。综合起来，我们的搜索确定了82个基因（其中70个全长），被指定为微生物组编码的碳水化合物激酶（mck1–mck82）（方法，补充表1和2以及扩展数据图1）。

接下来，我们测试了计算确定的Mcks是否确实可以磷酸化和灭活阿卡波糖。我们构建了70个全长Mcks的系统发育树，其中包括来自土壤细菌的三种已知磷酸化阿卡波糖的蛋白质（AcbK、GacK和ScatK），以及充分表征的来自大肠杆菌的ATP依赖性6-磷酸果糖激酶（PfkB )。系统发育树显示了一个包含21个Mcks的大型进化枝，它们与三个阳性对照（AcbK 进化枝）聚集在一起（图1b和扩展数据图2）。我们合成了9个mck基因的密码子优化DNA序列（8个来自AcbK分支的不同亚类，1个来自外部分支），以及阳性对照AcbK，用于在大肠杆菌中表达重组蛋白。在成功表达和纯化后，我们将得到的蛋白质与ATP和阿卡波糖一起孵育，并使用高效液相色谱与质谱联用 (HPLC-MS) 定量阿卡波糖和磷酸化阿卡波糖的反应后水平（扩展数据图3和补充图1）。我们计算了9种蛋白质中每一种观察到的反应速率（kobs），并将它们归一化为AcbK的kobs（我们计算为0.034 s-1；补充表3）。来自AcbK进化枝的8种测试蛋白质的kobs比AcbK慢17倍到快2倍（图1c）。只有来自AcbK进化枝之外的Mck23的kobs比AcbK的kobs慢300倍以上。因此，我们指定了来自AcbK进化枝微生物组衍生的阿卡波糖激酶 (Maks) 的所有8种测试蛋白质，还指定了来自该进化枝推定的Maks(pMaks)的未经测试的蛋白质（图1b）。接下来，使用MetaBGC（方法），我们检测了来自所有主要身体部位（肠道、口腔、皮肤和阴道）和五个国家（美国、中国、丹麦、西班牙和斐济）的3212份样本中mak和pmak基因的表达。值得注意的是，13个mak和pmak基因在口腔样本中最为普遍（249/264，占HMP参与者的94%，144/243，占斐济参与者的59%，在其口腔样本中编码至少一个mak或pmak基因），尤其是在龈上菌斑样本中（229/230，占HMP参与者的99%）。个体口腔mak和pmak基因的流行率差异很大（口腔样本中HMP参与者的8%至81%），其中mak1分布最广（213/264，81%的HMP参与者）且最丰富（图1d、扩展数据图4和补充表2）。从分离的基因组中发现的口腔mak和pmak基因由放线菌门（如放线菌）、厚壁菌门（如Solobacterium moorei）和梭杆菌门（如Leptotrichia trevisanii）中的多种细菌编码，根据宏基因组数据确定的mak和pmak基因预计来自相同的3个门（图1b和补充表1）。