姜衛紅研究組發現腸道梭菌中新型黃酮還原酶及其生理功能

  2021年 2月4日,國際學術期刊Nature Communications在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心姜衛紅研究組題為“Discovery of an ene-reductase for initiating flavone and flavonol catabolism in gut bacteria”的研究論文。該研究發現了來源于腸道微生物的一種新型烯還原酶——黃酮還原酶,并揭示其在代謝黃酮和黃酮醇這兩類藥/食來源化合物過程中的關鍵作用以及對腸道菌群微生態的影響。

  腸道微生物與人類長期共存,協同進化,具備了強大的代謝食源和藥源物質的能力,與人體的營養和健康密切相關。黃酮類化合物是植物合成的最主要的多酚類天然產物,具有重要的生理和藥用活性,它們不僅在人類的日常飲食中廣泛存在,而且是許多臨床藥物的來源,具有抗氧化、抗心血管疾病和抗腫瘤等功效,可謂“藥食同源”。人體腸道菌群可代謝黃酮類化合物,形成功能各異的活性物質,亦可發生轉化而影響其生物利用度,因此解析代謝途徑是認識這些過程的基礎。然而,黃酮類化合物在腸道微生物中的代謝機制目前并不十分清晰。其中,最主要的兩類化合物——黃酮和黃酮醇代謝途徑中負責起始反應的關鍵酶尚未被發現和鑒定。

  在該研究中,作者聚焦于一種可代謝黃酮類化合物的腸道菌——解黃酮梭菌Clostridium orbiscindens,通過生物信息學分析結合遺傳與生化研究方法,鑒定和表征了該菌中起始黃酮代謝的關鍵酶,命名為黃酮還原酶(Flavone reductase, FLR)。進一步研究發現,該酶不僅能夠催化黃酮的降解和轉化,對另一大類黃酮類化合物——黃酮醇也有同樣的催化活性。FLR是迄今為止唯一報道的可催化黃酮和黃酮醇C環結構上C2=C3鍵加氫生成二氫黃酮和二氫黃酮醇的還原酶,它啟動了整個代謝途徑中的關鍵反應,也是生成免疫激活劑脫氨基酪氨酸的重要一步。該酶底物譜較為寬泛,與已知的烯還原酶不同,它不依賴NAD(P)H作為電子供體,并且缺乏在大多數烯還原酶中保守的組氨酸和酪氨酸殘基。為了深入解析FLR的結構與功能關系及分子機理,研究組通過合作獲得了FLR蛋白及其與多種底物的共結晶,分析確定了其活性中心的構象以及結合底物分子的活性口袋位置,發現結構C端約100個氨基酸殘基決定該酶催化功能的特異性。同時,對FLR的關鍵氨基酸殘基進行定點突變,鑒定了影響酶活性的重要位點。基于上述研究,提出了FLR不依賴NAD (P) H催化黃酮和黃酮醇C2=C3鍵親核加成的分子機制。

  既然FLR能夠啟動黃酮代謝,它在腸道中發揮怎樣的生理生化功能?作者隨后分析了它對食源和藥源物質代謝的能力。由于C. orbiscindens目前還沒有遺傳操作系統,因此選擇另一株可操作的腸道梭菌——永達爾梭菌Clostridium ljungdahlii進行FLR的功能測試。結果顯示,含有FLR的野生型菌株對食物源的多種黃酮類化合物(如芹菜素、槲皮素)以及作為藥物的黃酮類制劑(如香葉木素和黃芩素)均具有代謝轉化能力,而flr基因突變株則不能代謝這些化合物,從而證明了FLR在腸道梭菌利用食物和藥物源黃酮類化合物的過程中發揮的重要作用。此外,特定腸道菌群的生長競爭實驗還表明,FLR賦予宿主菌在面臨黃酮脅迫壓力時的生長優勢。

  種系發育分析顯示,FLR同源基因存在于不同的微生物門類(如細菌,古菌及真菌)中,且主要分布于黃酮豐富的生境里。進一步的宏基因組學分析發現,flr基因在不同人群中的腸道菌中廣泛存在,預示其作用具有普遍性。綜上,該研究發現并鑒定了一種新型烯還原酶,填補了腸道微生物代謝黃酮類化合物途徑中的一個關鍵缺口,為深入認識和理解人體對這類藥食同源化合物的轉化利用提供了借鑒。

  博士研究生楊高華、洪森和楊朋潔為該論文的并列第一作者,顧陽研究員和姜衛紅研究員為共同通訊作者。該研究得到了張鵬研究組、王勇研究組的大力支持,并獲得國家自然科學基金委項目的資助。

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-20974-2

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