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热点五 肠道菌群调控代谢性疾病的新角色-菌源宿主同工酶
【热点命题】
代谢性疾病是一组表征复杂的代谢紊乱症候群，包括肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪性肝病以及心脑血管疾病等。目前，代谢性疾病患者占全国慢性疾病的一半以上，已成为制约国民健康以及预期寿命的重要因素。其干预策略亟待突破。肠道微生物作为连接人体内外环境的桥梁，已被证明在多种人类代谢性疾病发生发展中发挥重要作用。然而，粪菌移植等靶向整体肠道菌群的干预措施仍具有成分复杂、可控性差等局限，肠道菌群调控代谢性疾病的关键介质与作用机制亟待深入解析，以发现特异性靶点与干预措施。
肠道共生菌的各种酶在代谢产物的生成及代谢过程中发挥重要作用。此外，肠道菌源酶还具有多种非代谢产物依赖的功能，但它们在宿主代谢性疾病中的作用尚不清晰。
北京大学医学部基础医学院/北京大学第三医院医学创新研究院姜长涛教授团队、北京大学第三医院乔杰院士团队、北京大学化学学院雷晓光团队、美国国立卫生研究院Frank Gonzalez团队以及首都医科大学朝阳医院王广团队合作，于2023年8月4日在Science杂志在线发表了题为Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target的研究论文，首次提出了肠道菌源宿主同工酶（Microbial-host-isozyme，MHI）新概念，发现菌源宿主同工酶在肠道中的广泛存在，可以模拟宿主酶的功能，并参与疾病的发生发展。其中，菌源DPP4是一种重要的同工酶，可以在肠屏障损伤条件下进入肠组织，降解宿主活性GLP-1，诱导糖耐量异常。宿主DPP4抑制剂西格列汀无法有效抑制菌源DPP4活性，是西格列汀临床治疗响应性个体差异大的重要原因。进一步，通过高通量药物筛选以及深入的功能验证，研究团队发现了首个对菌源DPP4具有高活性和强选择性的小分子抑制剂Daurisoline-d4，可以通过特异性抑制菌源DPP4，改善糖耐量异常。
长期以来，姜长涛教授团队致力于代谢性疾病的发病机制与转化医学研究，重点聚焦肠道菌群介导的器官间对话。团队以肠道菌群产生的多种代谢酶为切入点及潜在干预靶点，首次发现吸烟期间尼古丁在肠道大量的蓄积以及肠道共生菌对尼古丁的降解作用（Nature | 姜长涛/虞朝辉/李洋/郑明华等发现人类肠道菌降解尼古丁，改善吸烟加重的非酒精性脂肪肝炎），提出肠道共生菌通过尼古丁降解酶NicX改善代谢性疾病的新干预策略，进一步阐明了肠道尼古丁通过肠AMPK—神经酰胺轴加重脂肪性肝炎（NASH）的全新机制（Nature 2022）；揭示了肠道菌群通过多种胆汁酸代谢酶生成GUDCA、GDCA、HCA等胆汁酸，介导菌群—器官互作，改善代谢性疾病，靶向胆汁酸代谢酶，能够改善代谢性疾病（Nat Med. 2018, 2019; Cell Metab. 2021a; J Clin Invest. 2021）；发现了宿主基因—肠道菌群—宿主代谢交互调控的新范式，阐明了宿主肠缺氧诱导因子2α（HIF-2α）通过乳酸诱导肠道普通拟杆菌与扭链瘤胃球菌比例失衡，从而调控菌群胆汁酸代谢酶，扰乱胆汁酸稳态，抑制脂肪产热的新机制（Cell Metab. 2021b）。基于以上发现，姜长涛教授团队提出了“代谢性疾病肠治”的新理论，揭示肠道菌群代谢物胆汁酸、尼古丁、神经酰胺是介导器官间对话的关键介质，阐明BSH、NicX等多个代谢性疾病干预的菌源新靶标。
除了能够产生特异性代谢酶外，在进一步的工作中，研究团队敏锐察觉到，肠道菌群在与宿主长期共进化的过程中，还可能存在一些酶发挥着和宿主酶相同的催化功能（菌源宿主同工酶）。然而，菌源宿主同工酶是否广泛存在？能否跨物种调控宿主代谢性疾病？可否作为针对代谢性疾病药物筛选的新靶点？目前这些问题尚未有研究。同时，由于肠道共生菌在分类与进化上的复杂性，与宿主相同功能的酶往往具有较低的同源性，使得传统的宏基因组、宏蛋白组等基于序列的组学方法在挖掘肠道共生菌源宿主同工酶的应用上具有一定局限性。因此，开发新方法、构建新体系对于肠道共生菌同工酶的发掘与功能评价具有重要意义。
研究团队基于110种已经报道的宿主重要疾病靶点酶，建立了一套完整的菌源宿主同工酶挖掘与评价体系。该体系基于稳定模拟宿主粪便菌群组成的体外反应体系及不同酶活特异性检测方法，能够灵敏检测复杂菌群环境中的目标酶活性。利用该系统，研究人员评估了健康志愿者粪便群菌群培养物中的菌源宿主同工酶活性，发现有71种酶在肠道菌群中存在同工酶，这些酶种类多样、功能全面，提示菌源宿主同工酶在肠道中广泛存在，可能有效模拟宿主酶的功能。
图1. 肠道菌源宿主同工酶挖掘体系
在评估菌源宿主同工酶活性的过程中，研究人员发现宿主二肽基肽酶4（DPP4）的菌源同工酶活性在不同个体中表现出了最强的稳定性和普遍性。DPP4是一种丝氨酸水解酶，宿主DPP4可以通过水解并失活胰高血糖素样肽-1（GLP-1）等胃肠道多肽类激素，发挥调控胰岛素分泌等多种生理功能，是2型糖尿病及其相关代谢紊乱的重要干预靶点。
然而，GLP-1主要由肠组织释放进入循环，而肠道菌群产生的蛋白类物质主要聚集于肠腔，那么，菌源DPP4是否可以接触宿主GLP-1，发挥宿主DPP4类似的病生理功能？研究人员发现在长期高脂饮食处理、低浓度葡聚糖硫酸钠（DSS）、吲哚美辛等诱导的肠屏障受损条件下，菌源DPP4可以进入肠组织，显著降低活性GLP-1水平、诱导糖耐量异常。肠屏障损伤是包括2型糖尿病在内的多种代谢性疾病的共同病理特征，因此，菌源DPP4可以在肠屏障受损的条件下，进入宿主体内，跨物种诱导糖耐量异常。通过肠道共生菌株的分离培养、DPP4活性检测、基于CRISPR-Cas系统的厌氧菌基因敲除体系以及多种动物模型，研究人员发现了多形拟杆菌、普通拟杆菌等多种拟杆菌属细菌均具有菌源DPP4活性，并鉴定了菌源DPP4的编码基因。多形拟杆菌可以以菌源DPP4依赖的方式降低宿主活性GLP-1水平，诱导高脂饮食小鼠糖耐量异常。以上发现揭示了肠道菌群影响代谢性疾病的全新病理基础与作用机制。
DPP4抑制剂西格列汀在临床上广泛用于2型糖尿病的治疗，是2021年全球销量第二的抗糖尿病小分子药物。然而，西格列汀的治疗效果具有较大的个体差异，临床研究发现，西格列汀对约40%的患者无法发挥有效降糖作用，其机理尚未阐明。菌源DPP4是否有可能在其中发挥了一定作用？利用酶活抑制实验及西格列汀与菌源DPP4的共结晶分析，研究人员发现目前西格列汀等针对人DPP4开发的治疗药物对菌源DPP4的抑制作用较弱。研究人员进一步招募了57名初诊2型糖尿病患者进行了为期3个月的西格列汀干预研究，与此前报道一致，不同患者对西格列汀干预的疗效具有较大的个体差异。基于多组学关联分析、菌群移植、噬菌体靶向干预实验，研究人员发现多形拟杆菌产生的btDPP4介导了西格列汀的临床响应性，为西格列汀临床响应性个体差异的提供了分子机理与作用靶点。
图2. 临肠道菌源DPP4影响临床西格列汀疗效
上述结果提示菌源DPP4是2型糖尿病的新型菌源治疗靶点。因此，研究人员建立了靶向菌源DPP4的高通量药物筛选体系，通过对约107000个小分子化合物的高通量筛选，发现了传统中药北豆根中活性成分蝙蝠葛苏林碱具有最强的菌源DPP4抑制活性，而对宿主DPP4没有抑制作用。经过进一步的结构改造与活性评价，研究人员确定了蝙蝠葛苏林碱的衍生物Dau-d4是一种强效高选择性的菌源DPP4抑制剂，并且通过晶体结构解析揭示了Dau-d4特异性地抑制菌源DPP4而对宿主DPP4无抑制作用的结构基础。Dau-d4可以通过抑制菌群DPP4来改善糖耐量，同时，Dau-d4对肠道共生菌的生长与组成则没有明显影响，这些结果表明，Dau-d4可以在不干扰菌群整体功能的条件下，特异性靶向菌源DPP4，有效改善小鼠糖代谢紊乱。
图4. 高通量筛选发现菌源DPP4特异性抑制剂
肠道菌群调控代谢性疾病的分子机制与靶向干预研究不仅是代谢性疾病研究的重要方向，同时也是肠道菌群领域进入精准化、靶向性研究阶段的关键环节，本工作提出了肠道菌源宿主同工酶全新概念，以此为基础探索了菌源宿主同工酶在代谢性疾病的发病及治疗过程中的重要作用，并构建了“靶点发现—机制验证—药物筛选—疗效验证”的全链条研究体系，为后续基础研究与临床治疗提供了新的研究思路与方向。解析肠道菌源酶的功能和在代谢性疾病中的作用，有望实现特异性调控菌株功能且不影响菌群组成，从而为靶向肠道菌群的代谢性疾病精准化治疗带来新的突破。
值得一提的是，在与本工作同期发表的工作中，来自斯坦福大学的研究人员从菌源蛋白酶角度出发，利用化学蛋白质组学和生物信息学结合的方法策略，鉴定了多形拟杆菌内的多种丝氨酸水解酶，并进一步通过活性验证与晶体学结构对比，也同样发现和表征了多形拟杆菌的DPP4蛋白。在功能上，本工作主要探究了菌源DPP4对宿主的作用，而他们主要评估了多形拟杆菌DPP4在自身包膜完整性及抗逆性方面的作用,是对本工作的一项重要补充。两项工作从共生菌及宿主两个角度共同揭示了菌源DPP4的重要作用，菌源DPP4对肠道微生态及宿主的影响仍有待进一步系统挖掘。
【热点练习】
1.下图为人体肝脏局部结构示意图，a、b、c、d表示细胞，①②③④表示不同的体液。下列叙述错误的是( )
A.②③④构成的液体环境叫作人体的内环境
B.③是人体内绝大多数细胞直接生活的环境
C.③可小部分被毛细淋巴管吸收成为①
D.a生活的内环境为①③，c生活的内环境为③④
2.脑水肿是指脑组织间隙的液体即脑脊液积聚过多而引起脑容积增大的一种病理状态。下列说法错误的是( )
A.脑脊液中可能存在抗体
B.脑脊液渗透压降低可导致脑水肿
C.利尿剂可在一定程度上缓解脑水肿
D.脑部毛细血管通透性增强可引起脑水肿
3.脑脊液是脑细胞生存的直接环境.脑部受到严重外伤时可能会引起脑部毛细血管通透性增强,从而导致脑水肿,地塞米松(糖皮质激素类药物)可用于治疗脑水肿,其副作用是停药后会出现反弹。科研人员研究发现促肾上腺皮质激素(ACTH)也能用于治疗脑水肿,有关临床试验结果如表所示。下列有关说法正确的是( )
编号 使用药物 治疗时间 治疗前水肿指数 治疗后水肿指数 停药两周后水肿指数
A组 ACTH(79例) 3个月 4.1~9.6 1.1~2.9 1.1~2.9
B组 地塞米松(79例) 3个月 5.1~7.1 3.3~4.9 5.1~9.8
A.脑脊液属于细胞外液,与血浆之间的物质运输是单向的,形成脑水肿时颅内压降低
B.大脑深度思考时,呼吸作用释放的CO2会使脑脊液的pH明显降低
C.地塞米松可能通过增加蛋白质回流达到治疗效果,较多使用地塞米松治病不会对患者体内激素水平产生影响
D.该实验结果表明,ACTH治疗效果优于地塞米松,且停药后不反弹
4.尿酸是嘌呤类化合物分解代谢的终产物,可随尿液排出体外.高尿酸血症是血液中尿酸含量过高而引起的。下列叙述正确的是( )
A.高尿酸血症一定是泌尿系统功能异常引起的
B.机体细胞影响内环境成分及稳态的维持
C.内环境的有机溶质指的是各种营养物质、代谢废物
D.高尿酸血症患者可通过排尿维持其内环境稳态
5.下列关于内环境稳态的说法，正确的有几项( )
①稳态就是指内环境的各种化学成分处于相对稳定状态
②最初贝尔纳认为内环境稳态的调节主要依赖神经调节
③各器官、系统协调一致地正常运行，是维持内环境稳态的基础
④即使外界环境发生剧变，人体也能保持稳态的平衡
⑤在生命系统的各个层次上，都普遍存在着稳态
A.一项 B.两项 C.三项 D.四项
6.人工肾能部分替代真正的肾脏起作用。患者的血液在中空纤维中向一侧流动，一种称为透析液的水溶液在中空纤维外向相反方向流动。血液中的小分子废物通过血液透析膜（中空纤维壁）进入透析液中。血液从患者臂部或腿部的血管通路流入人工肾，经过人工肾得到净化后，又流回静脉（见下图）。下列叙述错误的是( )
A.为了防止蛋白质类等有用的物质随着废物离开血液，透析液中的蛋白质类等有用的物质应与血液中的基本相同
B.为了防止某些盐类等有用的物质随着废物离开血液，透析液中的酸碱度和渗透压应与血液中的基本相同
C.患者的血液流经人工肾许多次之后，才能出去大部分的小分子废物
D.血液与透析液中的物质存在浓度差
7.水杨酸是一种有机酸，过量服用会刺激呼吸中枢，使肺通气过度，呼吸加深加快，导致血浆的CO2浓度降低，出现“呼吸性碱中毒”现象。下列叙述错误的是( )
A. 出现“呼吸性碱中毒”时，患者血浆由正常时的弱酸性变为弱碱性
B. 水杨酸通过体液传送的方式对位于脑干中的呼吸中枢进行调节
C. 内环境中的能在一定程度上缓解由水杨酸引起的血浆pH的变化
D. 临床上，可吸入含5%的CO2的混合气体来缓解“呼吸性碱中毒”症状
8.分别向20mL的新鲜血浆中滴加相同浓度的稀盐酸和稀NaOH溶液，血浆酸碱度变化与滴加滴数的关系正确的是( )
A.B.C. D.
9.液体疗法是指通过补充或限制某些液体以维持机体体液平衡的治疗方法。临床上，常用质量分数为5%的葡萄糖溶液（血浆等渗溶液）、质量分数为10%的葡萄糖溶液、质量分数为5%的NaHCO3溶液等进行输液治疗。下列相关说法错误的是( )
A.注射质量分数为5%的葡萄糖溶液后，若葡萄糖被大量消耗会导致患者的渗透压升高
B.低血糖时，使用质量分数为10%的葡萄糖溶液主要为患者提供能量
C.治疗酸中毒时，使用质量分数为5%的NaHCO3溶液能改善患者血浆pH
D.液体疗法的目的是恢复或维持患者正常的体液容量、成分和理化特性
10.图为神经系统、内分泌系统与免疫系统之间通过①~④等信息分子相互作用的示意图。下列分析错误的是( )
A.图中的信息分子均属于内环境的成分
B.图中信息分子的作用方式都是直接与受体接触
C.信息分子②和③不一定都是神经递质
D.④是细胞因子，可在特异性免疫中发挥作用
答案以及解析
1.答案：A
解析：A、②是细胞内液、③是组织液、④是血浆，细胞内液不属于人体的内环境，A错误；
B、③组织液是人体内绝大多数细胞直接生活的环境，B正确；
C、③组织液可小部分被毛细淋巴管吸收成为①淋巴，C正确；
D、a毛细淋巴管壁细胞生活的内环境为①淋巴和③组织液，c毛细血管壁细胞生活的内环境为③组织液和④血浆，D正确。
故选A。
2.答案：B
解析：脑脊液属于细胞外液,其中可能存在抗体,A正确;脑脊液为组织间隙液体,其渗透压升高可导致水分子过多地流向脑脊液,进而引起脑水肿,B错误;脑水肿是由脑脊液积聚过多导致的,利尿剂可促进肾脏排泄水分子和钠离子,从而在一定程度上缓解脑水肿,C正确;毛细血管通透性增强可导致血浆蛋白外渗进入脑脊液,导致脑脊液渗透压升高,引起脑水肿, D正确。
3.答案：D
解析：由题干可知,脑脊液是脑细胞生存的直接环境,说明脑脊液属于细胞外液,其与血浆之间的物质运输是双向的,形成脑水肿时,脑脊液增多,颅内压(颅腔内脯脊液的压力)升高,A错误;由于内环境中有缓冲物质的在,因此,大脑深度思考时,呼吸作用释放的CO2不会使脯脊液的pH明显降低,B错误;增加蛋白质的回流会使血渗透压升高,使更多的水回流至血浆,从而缓解脑水肿,团此地塞米松可能通过增加蛋白质回流达到治疗效果,由于地塞米松是糖皮质激素类药物,而肾上腺会分泌糖皮质激素,因此较多使用地塞米松治病可能会使肾上腺萎缩,对患者体内激素水平产生影响,C错误;根据表中数据可知ACTH治疗脑水肿的效果好于地塞米松,且停药两周后水肿指数没有变化,说明使用ACTH停药后不反弹,D正确。
4.答案：B
解析：由题干信息“高尿酸血症是血液中尿酸含量过高而引起的”可知,高尿酸血症不一定是泌尿系统功能异常引起的,也可能是机体合成尿酸过多引起的,A错误；结合题干信息“尿酸是嘌呤类化合物分解代谢的终产物”可知,机体细胞通过相应的代谢过程可以影响内环境成分及稳态的维持,B正确;内环境的有机溶质不仅仅包含各种营养物质和代谢废物,还包括一些其他的有机成分,比如激素,C错误;高尿酸血症是血液中尿酸含量过高引起的,如果是由机体合成尿酸过多引起的高尿酸血症患者,仅仅通过排尿不能维持患者的内环境稳态,D错误。
5.答案：C
解析：①稳态就是指内环境的各种理化性质(包括渗透压、pH和温度)和成分处于相对稳定状态，错误;
②最初，法国生理学家贝尔纳认为内环境稳态的调节主要依赖于神经调节，②正确;
③人体各器官、系统协调一致地正常运行，是维持内环境稳态的基础，如果某种器官的功能出现障碍，就会引起稳态失调，③正确;
④人维持稳态的条件能力是有一定限度，当环境变化过于剧烈，或人体自身的调节功能出现障碍，内环境的稳态就会遭到破坏，引起细胞代谢紊乱，④错误;
⑤随着生理学及其他学科的发展，稳态的概念得到巩固和发展，其内涵也不断充实。人们发现，不同层次的生命系统都存在着类似于内环境稳态的特性，即在生命系统的各个层次上，都普遍存在着稳态，⑤正确。
故选C。
6.答案：A
解析：人工肾利用了生物膜的选择透过性,即大分子蛋白质不能通过,A错误;某些盐类可透过人工肾,因此透析液的酸碱度和渗透压应与血液的基本相同,可防止某些盐类等有用物质随着废物离开血液,B正确;患者透析时通过的小分子废物是有限的,因此患者的血液要流经人工肾许多次后,才能除去大部分的小分子废物,C正确;血液与透析液中的物质存在浓度差,D正确。
7.答案：A
解析：A、正常血浆呈弱碱性，出现呼吸性碱中毒时，患者血浆的pH会增大，A错误；B、水杨酸是一种有机酸，过量服用会刺激呼吸中枢，水杨酸溶解在体液中，通过体液传送的方式，对位于脑干的呼吸中枢进行调节，B正确；C、内环境中的缓冲物质如（碱性物质）能在一定程度上缓解由水杨酸引起的血浆pH的变化，维持pH的相对稳定，C正确；D、CO2为酸性气体，临床上，可吸入含5%的CO2，的混合气体降低血浆的pH，来缓解呼吸性碱中毒症状，D正确。故选A。
8.答案：D
解析：由于血浆中有缓冲物质，故滴加少量酸或碱其pH值基本不变，但这种调节能力是有限的；若滴加了过量的酸或碱，则滴加过量碱是pH值会升高，滴加过量酸时pH值会降低，D正确。故选D。
9.答案：A
解析：A、质量分数为5%的葡萄糖溶液与血浆渗透压相等，故静脉注射一定量质量分数为5%的葡萄糖溶液后，血浆渗透压基本不变，但如果葡萄糖被大量消耗，则渗透压会降低，A错误；B、质量分数为10%的葡萄糖溶液含有的葡萄糖较多，而葡萄糖是细胞呼吸最常用的能源物质，故低血糖时，使用质量分数为10%的葡萄糖溶液主要为患者提供能量，B正确；C、质量分数为5%的NaHCO3溶液为pH缓冲液，可以调节血浆pH，在治疗酸中毒时，使用质量分数为5%的NaHCO3溶液能改善患者血浆pH，C正确；D、通过补充或限制某些液体可以维持机体体液平衡，维持机体内环境的稳态，故液体疗法的目的是恢复或维持患者正常的体液容量、成分和理化特性，D正确。故选A。
10.答案：D
解析：图中①是甲状腺激素等，②是促甲状腺激素释放激素等，③是乙酰胆碱等，④是糖皮质激素等，均属于内环境的成分，A正确;①包括甲状腺激素，它能影响神经系统的发育，B正确;②还可以是促甲状腺激素释放激素等，不一定是神经递质，C正确;细胞因子不是由内分泌系统分泌的，④不可表示细胞因子，D错误。

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