Cell Reports：肠道有益细菌如何与人类细胞交流？

在2月份的《Cell Reports》杂志上发表的一项最新研究中，东安格利亚大学的研究人员通过筛选数百种不同肠道细菌的基因组，破解了肠道健康的一个重大秘密——有益细菌如何与人类细胞进行交流。

　　

　　　交流，对于任何成功的关系都极其重要。东安格利亚大学（UEA）食品研究所（IFR）的研究人员发现了我们肠道有益细菌如何与我们的自身细胞进行交流。
　　　这是理解“我们身体如何与肠道菌群保持密切关系”的关键一步，肠道菌群对于保持我们的健康、抗感染和消化食物，起着非常重要的作用。
　　　这一研究成果发表在2月份的《Cell Reports》杂志上。研究表明，肠道细菌能够产生一种改变肠道细胞内信号的酶。这种酶的另一个作用是分解食物成分。
　　　本文的第一作者、IFR的Regis Stentz博士指出：“我们的研究，为理解‘细菌与不同生物界之间的交流，如何影响我们自身细胞的行为，以及我们如何消化食物’提供了一个突破。”
　　　我们所有人都依赖肠道内数以万亿计的细菌来分解我们饮食中的某些成分。一个例子就是肌醇六磷酸（phytate）——谷类食品和蔬菜中的磷的形式。肌醇六磷酸分解是重要营养素的一种来源，但是它的未经消化形式具有有害的属性。它能够结合到重要矿物质上，阻止矿物质被身体吸收，引起像贫血（特别是在发展中国家）这样的疾病。肌醇六磷酸也会导致过量的磷从家畜粪便和饲料添加剂中浸出到土壤中。
　　　但是，尽管肌醇六磷酸非常的重要，我们并不知道在我们肠道中它是如何被分解的。为了解决这个问题，Stentz博士及其同事筛选了数百种不同肠道细菌的基因组。他们发现，在一种最著名的肠道细菌中，有一种酶能够分解肌醇六磷酸。他们与东安格利亚大学诺维奇研究公园的同事合作，将这种酶结晶并解开了其三维结构。然后，他们继续描绘了这种酶的特征，表明它能够非常有效地将肌醇六磷酸转化为人体所需的营养物。
　　　细菌将这种酶包装在小的“笼子“里，称为外膜囊泡（OMVs），这可让肌醇六磷酸进入营养物处理过程，但阻止其被我们自身的蛋白降解酶破坏。这会释放营养物，特别是磷酸盐和肌醇——可被我们自身以及细菌吸收。
　　　研究人员与美国国立卫生研究院的磷酸盐信号专家Stephen Shears教授合作，他们指出，包含这种酶的OMVs，会影响结肠上皮细胞内的钙信号。细胞利用钙信号来调节不同的内部活动。这表明，细菌利用OMV包装的酶，与我们的细胞直接进行交流，并影响细胞的行为，这是跨界交流的一个例子。在侵入宿主细胞的病原菌中，研究人员曾经观察到OMVs，但这是OMVs对宿主和细菌都有利的第一个例子。
　　　Simon Carding教授带领了IFR的肠道健康研究，他说：“我们发现的这种酶具有双重作用，既能提供膳食营养，也能修改宿主细胞的行为。这开辟了许多非常令人兴奋的研究领域。”
　　　研究结果揭示了人体如何分解肌醇六磷酸，这将提高我们对于“如何保持健康”的理解，并可能为降低肌醇六磷酸加剧营养不良的影响提供新的途径。
　　　研究人员很希望发现，在阻止家畜粪便中磷过量这个问题时，这种新酶与现有的真菌饲料添加剂相比，其效果如何。
　　　本文的共同作者、UEA生物科学学院的Charles Brearley博士表示：“在动物饲料中添加酶（包括肌醇六磷酸酶），是一项7.25亿美元的全球产业。工业生物技术——包括设计酶（例如磷酸酶）的加工过程，是英国生物技术与生物科学研究理事会（BBSRC）优先考虑的事情。”
　　　“我们正在进行的这项研究，着眼于这种新肌醇六磷酸酶的三维结构，及肌醇六磷酸酶降解的详细分析。我们相信，这对于帮助未来开发高价值的动物饲料酶，具有巨大的价值。”
　　　IFR小组还想探讨这些肠道细菌酶在跨界交流中所发挥的作用，以查明钙信号改变所产生的影响。肠道内层细胞是高度动态的，包含引起不同细胞类型（有助于保持肠道健康状态）的干细胞。肠道细菌对于保持该健康状态，也起着重要的作用。了解细菌如何与我们进行交流，为进一步调查这个问题开辟了新的可能性。
　　　UEA的黏膜免疫教授Carding评论道：“这是诺维奇研究公园的多学科研究的一个极好例子，破解了肠道健康的一个重大秘密——有益细菌如何与人类细胞交流。”（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
A Bacterial Homolog of a Eukaryotic Inositol Phosphate Signaling Enzyme Mediates Cross-kingdom Dialog in the Mammalian Gut
Summary: Dietary InsP6 can modulate eukaryotic cell proliferation and has complex nutritive consequences, but its metabolism in the mammalian gastrointestinal tract is poorly understood. Therefore, we performed phylogenetic analyses of the gastrointestinal microbiome in order to search for candidate InsP6 phosphatases. We determined that prominent gut bacteria express homologs of the mammalian InsP6 phosphatase (MINPP) and characterized the enzyme from Bacteroides thetaiotaomicron (BtMinpp). We show that BtMinpp has exceptionally high catalytic activity, which we rationalize on the basis of mutagenesis studies and by determining its crystal structure at 1.9 Å resolution. We demonstrate that BtMinpp is packaged inside outer membrane vesicles (OMVs) protecting the enzyme from degradation by gastrointestinal proteases. Moreover, we uncover an example of cross-kingdom cell-to-cell signaling, showing that the BtMinpp-OMVs interact with intestinal epithelial cells to promote intracellular Ca2+ signaling. Our characterization of BtMinpp offers several directions for understanding how the microbiome serves human gastrointestinal physiology.