撰文 | 陈文强 博士责编 | 兮 越来越多的研究表明，从饮食中摄取的植物来源代谢物对健康有着重要意义。提到蔬菜水果，大家首先想到的是膳食纤维、微量元素等，而实际上，包括水果蔬菜在内的许多饮食植物的次级代谢物均可产生药理学效应。然而，我们对这些代谢物多样性的了解仍然非常有限，尤其对果蔬在咀嚼进入体内后的代谢状况，我们的了解仍然很不足，因此限制了我们对其促健康效应的研究。此外，肠道共生菌(commensal microbes)如何代谢这些具有生物活性的小分子代谢物，如何改变其生物活性，这些都是我们有待解决的科学问题。近年来，饮食植物中的一个明星代谢产物硫代葡萄糖苷(glucosinolates, GSs)受到广泛关注。硫代葡萄糖苷是十字花科蔬菜(Brassicaceae)中含量丰富的代谢物，已有多项研究表明该代谢产物能显著降低部分肿瘤的风险，这包括，流行病学研究已经提示富含西蓝花、卷心菜在内的十字花科植物的饮食能降低胃肠道癌。人们普遍认为异硫氰酸酯(Isothiocyanates, ITCs)是具有抗癌效应的主要代谢物【1】。而实际上，异硫氰酸酯并不在十字花科植物中富集，而主要是生物学惰性的硫代葡萄糖苷在体内的水解产物(图1A)。这一过程在体内是如何发生的？ 2020年2月20日，来自美国斯坦福大学的Elizabeth Sattely课题组在Cell杂志在线发表了题为A Metabolic Pathway for Activation of Dietary Glucosinolates by a Human Gut Symbiont的研究论文，通过全基因组转座子插入筛选技术，识别出了硫代葡萄糖苷经拟杆菌(B. thetaiotaomicron)代谢所需的操纵子，并通过一些列功能操控实验揭示了肠道共生菌代谢这一重要膳食营养物的生物学机制。 首先，研究人员拟验证拟杆菌不同菌株转化硫代葡萄糖苷为异硫氰酸酯的能力。通过人源分离株(图1C)培养实验及液相色谱-串联质谱法，研究人员发现存在可代谢硫代葡萄糖苷和不可代谢硫代葡萄糖苷的不同拟杆菌菌株，提示菌株间差异可能是宿主产生异硫氰酸酯能力的个体间差异来源。图1. 细菌黑芥子酶可将硫代葡萄糖苷(GSs)激活转化为异硫氰酸酯(ITCs)为识别代谢硫代葡萄糖苷的关键候选基因，研究人员开展全基因组转座子插入筛选研究，使用半随机PCR，发现了26个关键基因，包括两大基因簇，预测为操纵子，其中最丰富的的操纵子主要涉及到磷酸戊糖途径，由于这一途径主要涉及碳代谢，研究人员将其排除在外，因其不太可能直接负责将硫代葡萄糖苷转化为异硫氰酸酯。而第二丰富的操纵子BT2159-BT2156，涉及到碳水化合物代谢途径，因此被认为含有主要执行的硫葡萄糖苷酶功能的候选基因(图2)。图2. 预测得到的具有硫代葡萄糖代谢功能的操纵子 随后研究人员进行了异源表达(heterologous expression)(原文图2)，包括两部分实验。第一部分为功能缺失(loss-of-function)研究，使用靶向基因组缺失实验以鉴别出操纵子BT2159-BT2156的哪些基因直接参与硫代葡萄糖苷的水解作用，发现BT2157为异硫氰酸酯在拟杆菌中产生所必需，而BT2158缺失将产生有害效应。因此，研究人员认为BT2157和BT2158在硫代葡萄糖苷转化为异硫氰酸酯的过程中具有重要作用。第二部分为功能获得(gain-of-function)研究。研究人员发现同时表达BT2157及BT2158并不足以增加硫代葡萄糖苷的代谢活性，而只有在同时表达BT2157及BT2158的基础上，再表达BT2156或者BT2159才能得到可测量到的异硫氰酸酯水平。此后，研究人员分别进行体外生化研究及体内动物实验验证。体外生化实验主要是在金莲葡萄糖硫苷(BGS)和NAD+的存在下，通过孵育不同组合的纯化BT2159-BT2156，使用LC-MS技术找到硫代葡萄糖苷体外转化的最小蛋白组合的需求。结果发现，BT2158在硫代葡萄糖苷体外水解过程必要而不充分。随后的研究进一步发现，BT2158在于BT2156或者BT2157的组合下，才能充分将硫代葡萄糖苷转化成异硫氰酸酯。此外，研究人员也发现其他膳食碳水化合物也可作为催化底物，包括纤维二糖及麦芽糖。因此，这部分结果提示，BT2159-BT2156可在体外代谢多个二糖。体内动物实验的进行是为了在肠道菌群定植(gut colonization)的背景下研究这些操纵子转化硫代葡萄糖苷是否必须。研究人员给小鼠植入野生型拟杆菌及BT2157突变型拟杆菌，再在食物中补充纯的BGS。研究人员发现野生型拟杆菌植入的小鼠的尿液中存在更高水平的BITC-NAC及BITC-cys，均为已知的十字花科植物摄入及异硫氰酸酯摄入的标志物【2】。在植入突变型拟杆菌的小鼠或者在无菌小鼠的尿液中，这些标志物的含量都极低。研究人员也在补充硫代葡萄糖苷的同时给与小鼠西蓝花餐(富含多种硫代葡萄糖苷，包括新葡萄糖芸苔素、羟基葡萄糖素等)，同样也发现了植入野生型拟杆菌的小鼠尿液中标志物的存在。这些结果提示BT2159-BT2156的确在硫代葡萄糖苷的体内的水解过程中具有重要作用。图3. 小鼠体内体内肠道菌定植实验总而言之，本文通过一系列完整的全基因组筛选、异源表达、体外生化及体内代谢验证实验(图4)，完整地揭示了膳食植物代谢物硫代葡萄糖苷在肠道微生物代谢下产生活化产物异硫氰酸酯的机制。同时，结合近年来在遗传工具上的突破，这一研究也给我们提示，肠道共生菌通过代谢途径产生像异硫氰酸酯这样的活性产物，可以给我们带来无限的治疗途径的思路，从而更好地研究肠道菌如何和我们日常膳食中获得的果蔬代谢物来影响我们的健康。 图4. 本文的研究思路原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.01.023
参考文献
1. Herr and Buchler (2010). Dietary constituents of broccoli and other cruciferous vegetables: implications for prevention and therapy of cancer. Cancer Treat. Rev. 36, 377–383.2. Hwang and Jeffery. (2003). Evaluation of urinary N-acetyl cysteinyl allyl isothiocyanate as a biomarker for intake and bioactivity of Brussels sprouts. Food Chem. Toxicol. 41, 1817-1825.