Science：中国团队揭示中草药衍生物Dau-d4可改善西格列汀治疗糖尿病疗效

【Science编辑推荐】：肠道微生物群的产物与各种代谢疾病状态和药物转化有关。K.Wang等人开发了一种定量实验工作流程，以识别影响宿主生理的人类和小鼠肠道微生物群的同工酶。其中，作者鉴定了拟杆菌属微生物二肽基肽酶4（DPP4）。宿主DPP4是治疗2型糖尿病的重要治疗靶点。肠道微生物产生的DPP4也可以降解宿主的胰高血糖素样肽-1，并有助于破坏葡萄糖稳态，但前提是高脂肪饮食会使肠道屏障渗漏。此外，作者发现了一种特定的微生物DPP4抑制剂，北豆根苏林碱，可用于支持西格列汀的治疗，往往表现出不同的疗效--Caroline Ash。

【期刊简介】

【题目及作者信息】

Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target

引言

肠道微生物群可以通过产生与宿主功能相似的酶来调节宿主的生理和病理生理。然而，很难通过基于测序的研究来鉴定这些微生物宿主同工酶，因为在不同物种中具有相似功能的酶可能缺乏序列保守性。基于活性的功能蛋白筛选框架对于发现和表征这种微生物-宿主同工酶更可靠，这将有助于深入了解肠道微生物群-宿主的串扰。

基本原理

为了鉴定潜在的微生物宿主同工酶，我们建立了一个酶活性筛选平台，包括110种在各种人类疾病中发挥作用的酶的活性测定。这些酶活性是在粪便来源的离体细菌群落中测量的。二肽基肽酶4（DPP4）是我们筛选出的一种重要的微生物宿主同工酶，但对其对宿主的病理生理作用知之甚少。我们试图确定肠道微生物衍生的DPP4，如宿主DPP4（hDPP4），是否可以降低活性GLP-1，从而影响血糖稳态。

结果

我们通过酶活性筛选平台在人类肠道细菌群落中鉴定出71种具有阳性活性的酶，其中大多数在从无菌和特定病原体无小鼠粪便中获得的蛋白质提取物中得到了验证。在这些已鉴定的酶中，DPP4活性在10个人类样本中具有最高的统计效应大小（Z因子）。通过人体肠道细菌分离和DPP4活性筛选，我们发现微生物DPP4主要由拟杆菌产生。肠道微生物DPP4（mDPP4）在体外可以降解活性GLP-1（7-37）。然而，在高脂饮食（HFD）喂养的小鼠或右旋糖酐硫酸钠/吲哚美辛治疗的小鼠中，mDPP4不能影响食物喂养的小鼠的活性GLP-1水平，但可以降低活性GLP-1活性并损害葡萄糖稳态，这表明mDPP4需要受损的肠道屏障来影响宿主GLP-1的活性。

我们发现临床DPP4抑制剂西他列汀不能有效抑制mDPP4。通过以1.97-anstrom分辨率解决mDPP4与西他列汀的共结晶，我们发现与hDPP4的结合相比，药物与mDPP4之间的结合性质存在差异，这可能解释了抑制作用的这种差异。在2型糖尿病（T2D）患者（n=57）中进行的西他列汀临床试验（www.clinicaltrials.gov identifier NCT04495881）以及本研究中将高应答者和低应答者的粪便移植到HFD喂养的小鼠的相关粪便微生物群表明，mDPP4可能限制西他列肽对T2D患者和葡萄糖不耐受小鼠的疗效。

为了鉴定mDPP4的选择性抑制剂，我们筛选了约107000个化合物，并通过结构修饰鉴定了Dau-d4，一种北豆根苏林碱的衍生物，与hDPP4相比，它可以选择性抑制mDPP4活性。Dau-d4可提高糖尿病小鼠的活性GLP-1水平并改善葡萄糖代谢，Dau-d4-与西他列汀联合给药可进一步改善血糖稳态。

结论

在这里，我们开发了一种基于活性的策略来识别未表征的肠道微生物-宿主同工酶，从而更深入地了解肠道微生物群-宿主的相互作用。肠道微生物DPP4同工酶可损害宿主葡萄糖稳态，微生物DPP4活性的变化可能导致T2D患者对西他列汀的异质性反应。我们的发现强调了开发针对宿主和肠道微生物酶的疗法以获得更大临床疗效的前景。

图文摘要

【前言】

在包括细菌和真菌在内的许多其他生物体中发现了具有不同氨基酸序列的人类DPP4同源蛋白。例如，其他人已经在牙周病细菌中鉴定出DPP4，当将其注射到小鼠中时，它们的葡萄糖耐受性发生了改变，这表明微生物DPP4在功能上与宿主DPP4相似。然而，目前临床上针对人类DPP4的DPP4抑制剂对牙周病细菌DPP4表现出较低的抑制活性。尽管已经推测肠道微生物群具有DPP4样活性，但尚不清楚哪些特定的肠道共生细菌产生DPP4同工酶，也不知道这种肠道微生物群衍生的DPP4可能对宿主健康产生什么影响。在我们的工作中，我们发现在肠道屏障受损的小鼠中，肠道微生物DPP4独立于宿主DPP4减少了活性GLP-1的库，从而损害了宿主的葡萄糖稳态。用于治疗T2D的临床相关DPP4抑制剂，包括西格列汀，对肠道微生物DPP4的抑制作用较弱，这可能解释了某些T2D患者对西格列汀的可变反应。使用高通量筛选，我们鉴定了Dau-d4，北豆根苏林碱daurisoline（Dau）的衍生物，作为一种特异性微生物DPP4抑制剂，主要通过对微生物DPP4-宿主GLP-1轴的作用来改善小鼠的代谢功能障碍。

【结果部分】

1.微生物宿主同工酶活性筛选系统显示，微生物DPP4可降低活性GLP-1。

2.DPP4产生菌和微生物DPP4的鉴定。

3.在HFD喂养的小鼠中，微生物DPP4降低了活性GLP-1的库，并破坏了葡萄糖代谢。

4.与hDPP4相比，临床相关的DPP4抑制剂西他列汀对btDPP4的作用较弱。

5.高通量筛选确定Dau-d4是微生物DPP4的选择性抑制剂。

6.Dau-d4改善宿主葡萄糖代谢。

【结论与讨论】

如果肠道微生物蛋白质的完整性受到损害，它可以穿过肠道屏障进入血液（59）。然而，除了促进肠道渗漏外，HFD还可以对宿主产生高度多效性影响，包括胆汁酸浓度升高、蛋白细菌过度生长、刺激亚临床炎症反应和昼夜节律行为改变。我们使用低剂量DSS和吲哚美辛作为肠道屏障损伤的替代模型，并观察到与HFD类似的对微生物DPP4升高、管腔外肠道和血浆活性GLP-1水平降低以及代谢读数的影响。然而，除了我们的猜测之外，还有其他可能的解释。不能完全排除微生物DPP4调节在L细胞顶端边缘检测到的微生物群衍生信号并改变GLP-1分泌。血浆中未改变的总GLP-1水平也由失活肽的肾脏清除率而不是切割率来确定。尽管所有测试的治疗方法（HFD、DSS和吲哚美辛）都会增加肠道通透性，但它们也会在肠道中引起不同程度的炎症反应，这可能会对GLP-1分泌率产生间接影响。

通过显示微生物DPP4的药理学抑制的益处，我们的研究结果强调了靶向这种微生物酶在T2D患者临床治疗中的潜在价值，这些患者对目前使用的DPP4抑制剂反应不佳。这种治疗这种常见慢性病的“治虫药物”方法可以扩展到其他类似的人类疾病。

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