Cell重磅：一种膳食抗氧化剂麦角硫氨酸的微生物转运体

背景

维持氧化还原稳态对所有细胞生命都是至关重要的。尽管氧气是有氧代谢所必需的，但它也是活性氧 (ROS)的前身，ROS是一个由细胞呼吸、免疫反应以及光化学反应或金属化学反应生成的亲电子的分子氧化剂家族。当过量的ROS在细胞内积聚时，生物分子会遭受氧化损伤，从而损害关键的细胞过程。因此，氧化应激的快速修复对细胞存活至关重要。

简介

2022年11月3日，来自美国耶鲁大学的Daniel G. Dumitrescu及其团队在Cell (IF: 66.85)杂志上发表名为A microbial transporter of the dietary antioxidant ergothioneine的研究[1]。

研究要点

1、幽门螺杆菌输入人类膳食抗氧化剂麦角硫氨酸 (EGT)。

2、ABC转运蛋白EgtUV摄取宿主衍生的EGT并保护机体免受漂白应激。

3、野生型小鼠中的幽门螺杆菌优于EgtUV缺陷型小鼠中的幽门螺杆菌。

4、EGT的输入和代谢在人类胃肠微生物中广泛存在。

主要结果

幽门螺杆菌输入抗氧化剂EGT

我们采用反应性导向的代谢组学筛选来鉴定幽门螺杆菌中的LMW硫醇，其中细菌细胞提取物用巯基烷化剂单溴联苯醚 (mBBr)处理，以便通过液相色谱-质谱联用 (LC-MS)检测mBBr标记的代谢产物 (图1A)。与幽门螺杆菌中缺乏已知的LMW-硫醇生物合成基因的情况一致，我们在经mBBr处理的幽门螺杆菌提取物中没有检测到GSH的双硫烷衍生物或其功能性类似物杆菌石醇和真菌硫醇。然而，我们观察到一种物质的质荷比 (m/z)为420.1700，相当于LMW硫醇EGT的双烷加合物的计算m/z (图1B和1C)。当通过液相色谱-串联质谱 (LC-MS/ MS)进行分析时，该物种仅存在于经mBBr处理的提取物中 (图1B)，并表现出与经mBBr处理的EGT标准品相同的色谱特性 (图1D)和裂解模式 (图1E)。总之，这些数据支持幽门螺杆菌含有低分子量硫醇EGT。

图1. 幽门螺杆菌输入抗氧化剂EGT

EgtUV在体内具有竞争性定植优势

幽门螺杆菌定植于宿主的胃腺，在那里诱导中性粒细胞募集并刺激呼吸爆发，从而将漂白剂和过氧化氢等ROS释放到感染微环境中。漂白剂是由活化的中性粒细胞产生的主要氧化剂，在炎症组织中可达到毫摩尔水平。为了确定EGT输入是否增强幽门螺杆菌对此类ROS的耐药性，我们在天然含有EGT的标准生长培养基中培养WT、DegtV和DegtV::egtV幽门螺杆菌，并比较暴露于5 mM漂白剂或过氧化氢后各菌株的集落形成单位 (CFUs)。漂白剂处理15分钟后，与溶剂处理对照相比，所有三种菌株的菌落数均减少;然而，DegtV突变株产生的CFU比WT和DegtV::egtV株少10倍 (图4A)。低浓度漂白剂对DegtV活性的影响较弱，而10 mM漂白剂完全抑制幽门螺杆菌的生长。相比之下，过氧化氢处理并未抑制任何菌株的生长 (图4B)，这表明幽门螺杆菌抗氧化反应的其他机制 (例如过氧化氢酶的产生)可能足以在试验条件下使过氧化氢脱毒。这些发现表明EGT的摄取可能选择性地增加幽门螺杆菌对中性粒细胞氧化漂白剂的耐药性。

图4. EgtUV在体内具有竞争性定植优势

EGT由人体粪便细菌代谢

鉴于EgtUV在胃肠道微生物中的广泛分布，我们接下来考虑EGT是否可以被人类肠道共生菌代谢。含有季铵盐基团的膳食化合物，如胆碱、甘氨酸甜菜碱和肉碱，可被肠道细菌代谢为三甲胺 (TMA)。TMA随后被肝脏中的单加氧酶进一步氧化，生成TMA N-氧化物 (TMAO)，这是一种与心血管疾病广泛相关的代谢产物。类似地，EGT可被麦角硫醚酶 (图7A)降解为TMA和硫尿甘酸，麦角硫醚酶由几种微生物 (但不包括幽门螺杆菌)编码。然而，目前尚不清楚EGT是否可以被肠道共生细菌代谢，或者EGT的微生物代谢是否有助于宿主体内TMA的产生。为了解决这些问题，我们在无氧条件下用25 mg EGT-d9孵育来自25名健康个体的人粪便 (HF)样本 (其中含有相似水平的活菌和分类多样性细菌)，并利用LC-MS定量分析了EGT-d9的降 解(图7B)及其向TMA-d9的转化 (图7C)。在25个样本中，17个样本EGT-d9的降解率超过90%，而其余8个样本表现出不同的活性，EGT-d9的降解率为7%-50% (图7B)。具有高EGT降解活性的一个样品 (H7)也产生了TMA-d9 (图7C)。这些结果表明，EGT是由肠道细菌分解代谢的，并且在一部分个体中，EGT可以在宿主中转化为TMA。因此，EGT不仅可以增强EGT输入细菌的抗氧化反应，还可以促进TMAO等影响宿主生理的生物活性代谢产物的产生。

图7. EGT由人体粪便细菌代谢

结论及展望

低分子量 (LMW)硫醇是维持细胞内氧化还原稳态所需的小分子抗氧化剂。然而，包括胃病原体幽门螺杆菌在内的许多宿主相关微生物出人意料地缺乏LMW -巯基生物合成途径。使用反应性导向代谢组学，我们在幽门螺杆菌中发现了不常见的低分子量巯基麦角硫氨酸 (EGT)。膳食EGT在人体组织中累积至毫摩尔水平，并广泛参与降低疾病风险。虽然某些微生物可以合成EGT，但我们发现幽门螺杆菌通过一种高度选择性的ATP结合盒转运体—EgtUV从宿主环境中获得这种低分子量的硫醇。EgtUV在体内具有竞争性定植优势，在胃肠道微生物中广泛保守。此外，我们发现人类粪便细菌代谢EGT，这可能有助于产生疾病相关的代谢产物三甲胺N-氧化物。综上所述，我们的发现阐明了肠道中微生物氧化还原调节的一种以前未被了解的机制，并表明膳食EGT的跨界竞争可能广泛影响人类健康。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S009286742201323X?via%3Dihub

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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