王立铭·巡山报告｜第五十八期：同工酶，肠道菌群的全新角色

源济

第五十八期：同工酶，肠道菌群的全新角色

你好，我是王立铭。2023年12月6日，第五十八期《巡山报告》又和你见面了。

本期报告的主题是一项刚刚发表的研究——来自北京大学的研究者们在糖尿病研究中，揭示了肠道菌群的一种全新的功能：肠道菌群进化出了和人体宿主功能相似的酶，也就是这期报告题目中所说的“同工酶”（isozyme），它可以直接介入人体正常的生物学活动，影响疾病进程和药物治疗的效果 [1]。

熟悉本专栏的读者们应该意识到了，肠道菌群是我们经常会涉及到的话题。这本身也不奇怪。

在人体的各个器官，比如皮肤、生殖器、口腔，特别是肠道内部，寄生着大量的细菌，种类可能多达1000种，数量更是可能高达100万亿个，超过了人体细胞的总数。

近年来，人们越来越认识到，肠道菌群在人体健康和疾病中有着深刻和广泛的参与。它们不光参与合成了人体必需的重要营养物质，比如维生素K和B族维生素，而且在免疫系统疾病、代谢系统疾病、神经系统疾病、肿瘤和心血管疾病中，我们都能看到肠道菌群发生了系统性的变化，起到了意想不到的正向或负向作用。

因此，很多人开始把肠道菌群看成是不来源于人体、但对人体至关重要的一个“外部”器官。

传统研究思路的局限性

但是，在涉及肠道菌群的研究和讨论中，人们几乎总是把这些细菌生命本身作为对象：我们会关注哪些具体的细菌在特定疾病中发生了变化，也会关注哪些具体的细菌能够帮助我们治疗疾病。

比如，在之前的报告中我们提到过，脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）能够缓解小鼠的自闭症症状 [2]，并且这种效果和这类细菌表面的多糖分子PSA有关；在另外一期报告中我们也提到，粪芽孢杆菌（Coprobacillus cateniformis）影响了癌症免疫治疗的效果 [3]。

再举个例子，在2022年，这一期报告的主角之一——北京大学医学部姜长涛实验室还发现，一种特殊的肠道细菌——解木聚糖拟杆菌（Bacteriodes xylanisolvens），能够降解吸烟者体内的尼古丁，并缓解尼古丁对肝脏的毒害作用 [4]。

上面说的，当然是个非常容易理解的思路。肠道菌群可能有上千种不同的细菌，每种细菌都是完整的生命，它们的形态和生活方式各异，在肠道中独立存活、摄食、繁殖、抵抗人体免疫系统和其他细菌的破坏。因此，在考虑肠道菌群和人体健康关系的时候，我们自然会倾向于识别出，肠道菌群中哪一些是对人体健康最为关键的细菌种类，并进一步研究其特征和临床价值。比如，在脆弱拟杆菌的研究中，人们发现，它表面的多糖分子PSA可能起到了关键作用[5]。

但是，这种“菌群整体-->特定细菌-->特定细菌的特殊性质”的研究思路，可能会遇到一个麻烦。那就是，至今为止，绝大多数肠道细菌还无法被分离鉴定，也无法在实验室条件下培养，研究者们往往只能对细菌的类别进行间接推测 [6][7]。换句话说，虽然肠道菌群对人体健康的影响是毋庸置疑的，但只有少数运气好的场合，我们才有机会把这种影响明确归因到某种特定的细菌种类上。

一种全新思路

而在2023年8月，北京大学的研究者们在《科学》杂志发表论文，展示了理解肠道菌群功能的一种全新思路。

具体而言，他们的研究对象不再是一种种独特的细菌，而是细菌体内不同种类的酶分子。研究者们发现，基于共同的进化祖先和相似的生活环境，肠道菌群可能能够制造、合成一些和人体当中的蛋白质功能相似的酶，也就是同工酶，直接参与到人体生物学活动当中。

我们先来看看这项研究具体是怎么进行的。

研究从10位健康人肠道中收集和培养了菌群样本，提取其中的蛋白质，并测定了110种人体当中已知存在的酶活性，比如，参与酒精代谢的乙醇脱氢酶，参与糖代谢的果糖双磷酸酶，参与许多细胞内信号传递的腺苷酸环化酶，等等。

随后，研究者们发现，肠道菌群的提取物表现出了71种不同的酶活性，占比超过了60%。这个发现首先就足以说明，在酶活性这个层面上，肠道菌群和人体系统是高度类似的，它们也许参与催化和推动了一些高度相似的生物化学反应。

在这71种酶活性当中，最为引人注意的是二肽基肽酶-4（DPP4）。所有10份人体菌群样本都展示出了极高的DPP4酶活性，小鼠菌群样本也有类似的现象。

而DPP4在血糖调节和2型糖尿病当中的作用，非常关键。

想要理解DPP4酶的重要作用，我们要先搞清楚一种叫做胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的激素。为了方便记忆，我接下来就用GLP-1来指代它。

人体在进食后，肠道的内分泌细胞会分泌GLP-1，它可以直接进入血液循环，通知全身各个器官，“有新的营养物质正在被消化吸收，营养供应充足”。GLP-1带来的效果就是，降低了人的食欲和肝糖合成，促进胰岛素释放来降低血糖，并且帮助人体维持能量代谢和血糖的平衡。

换句话说，GLP-1就是天然的降血糖和减肥药物[8]。

不过，为了保证代谢调节的灵活性，GLP-1的半衰期极短，进入血液后几分钟内就会被DPP4酶彻底剪切破坏。

基于此，人们开发出了更加长效的GLP-1药物，比如我们之前报告中提到过的礼来公司，就开发出了度拉糖肽(Duraglutide)，诺和诺德公司则开发出司美格鲁肽(Semaglutide)。这些药物可广泛用于糖尿病和肥胖症的治疗。

与此同时，另一个思路则是通过设计小分子药物抑制DPP4酶的活性，来间接提高GLP-1的半衰期。这个思路也诞生了一批至今仍在被广泛使用的糖尿病药物，例如默克的西格列汀(Sitagliptin)、诺华的维格列汀（Vilgliptin）、施贵宝和阿斯利康的沙格列汀（Saxagliptin）等等。

正是因为DPP4酶的重要性，研究者自然就将目光聚焦在了来自肠道菌群的DPP4酶上。特别是，他们还联想到了一个长期存在但令人困惑的现象：上面我们提到的这些已经上市的DPP4酶的抑制剂药物，虽然在体外实验中都有很好的效果，整体疗效也相当出色，但临床效果却有点令人失望——人群中几乎有一半的糖尿病患者，对这类药物没有很好的反应[9]。

于是，研究者们开始思考，会不会是因为在这些患者体内，来自肠道菌群的DPP4酶同样可以切割破坏GLP-1，从而使得这些患者对上面这些药物并不敏感呢?

研究者们确实证明了，小鼠肠道内的DPP4酶活性的确有两个来源：一是来自小鼠自身，二是来自肠道菌群。当然，需要注意的是，细菌的DPP4酶并不是为切割人体GLP-1而特别准备的，它对细菌自身的生存也有重要作用[10]。但是，不管是敲除小鼠体内的DPP4酶，还是用抗生素消灭肠道菌群，都能够降低DPP4酶的活性，提高GLP-1浓度，而且两者还有明显的叠加效应。

在进一步的研究中，研究者们还试图找出到底是哪些细菌制造生产了这些DPP4酶。

他们发现，来自拟杆菌门的不少细菌都具备这个能力，特别是多型拟杆菌。它制造的btDPP4酶，具有最强的DPP4酶活性，甚至比人体自身的DPP4酶活性还要强。把编码这种酶的基因片段装入大肠杆菌，给小鼠灌胃，就能有效地破坏GLP-1，干扰血糖调节。

而且你特别要注意的是，这些来自菌群的DPP4酶，确实对降糖药物不敏感。以西格列汀为例，它能有效抑制人体DPP4酶的活性，但对于来自多型拟杆菌的DPP4酶，抑制作用就降低到接近1/80。这主要是因为，西格列汀结合细菌DPP4酶（比如btDPP4）的能力下降了。

抑制菌群酶的临床价值

那么，这一点是否能解释为什么不少糖尿病患者对西格列汀不敏感呢？

为了研究这一点，研究者们从57位新近确诊的2型糖尿病患者体内采集了菌群样本，结果发现：这些人里对西格列汀敏感、血糖控制较好的患者，体内DPP4酶的活性整体更低，拟杆菌的丰度更小；而对西格列汀不敏感的患者，则正好相反。

结合我们刚才提到的小鼠灌胃实验，可以得出结论：糖尿病患者体内拟杆菌门细菌，特别是多形拟杆菌的数量越多，患者体内DPP4酶的活性就越强，而血糖控制就越差，西格列汀这类药物对他们就越难以起效。

既然如此，想要更好地抑制DPP4酶的活性、治疗糖尿病，更全面的思路就应该是从两方面入手，同步抑制人体DPP4酶和菌群DPP4酶，而不仅仅是针对人体DPP4酶设计开发药物。

研究者们也确实做了这样的尝试。这一次，他们针对来自不动拟杆菌的btDPP4设计了一个大规模药物筛选，在10万多种小分子化合物中，找到了一种天然碱性化合物，名为Dau。它能够很有效地抑制菌群DPP4酶，但对人体DPP4酶没有作用。

围绕Dau的一系列化学修饰，最终导向了Dau-d4分子的发现。这种分子能够以极高的效率抑制来自细菌的btDPP4（IC50~88nM），顺便还能抑制来自其他不同细菌的DPP4酶（IC50~100-200nM）。而且，在小鼠模型中，它和西格列汀连用能够起到1+1>2的降血糖效果。这当然进一步证明了，如果能够同步抑制人体和菌群的DPP4酶，将带来巨大的临床价值。

另外，这篇研究还有一个技术细节特别值得注意。

肠道菌群生产制造的DPP4酶，按理说应该老实待在肠道内部，它们又是如何进入血液并切割破坏人体GLP-1的呢？对此，研究者们提出了一个很有意思的解释：也许在特定条件下，人体的肠道屏障会在一定程度上遭到破坏，本来位于肠道内、来自菌群的DPP4酶有可能因此进入血液循环。

研究者们确实在小鼠模型中发现，长时间摄入高脂肪食物，会破坏肠道的严密性、让肠道菌群DPP4酶得以进入人体血液。

这个发现也许能够解释，为什么人群中会同时存在对西格列汀敏感和不敏感的人。换句话说，那些对西格列汀不敏感的人，可能是因为长期饮食失调，导致肠道屏障破损，菌群DPP4酶才得以进入人体血液循环，干扰了血糖调节，也影响了西格列汀等药物在自己身上的疗效。

总之，这项研究为肠道菌群领域贡献了一个非常精彩的研究案例。

研究带来的启发

说到这里你肯定明白了，来自不同种类肠道菌群的DPP4酶能够和人体DPP4酶一样，参与血糖调节的过程。而因为靶向DPP4的糖尿病药物在开发过程中，仅仅考虑了对人体酶的抑制作用，没有考虑对肠道菌群酶的抑制作用，从而导致相当一部分患者对药物不敏感，也导致了降糖效果不好。

这明确地提示了我们：如果菌群存在着和人体功能类似的酶，那么药物设计的时候，可能就需要同步考虑药物分子对人体酶和菌群酶的作用，防止按下葫芦浮起瓢。

特别是考虑到，在110种酶活检测中有多达71种都测出了菌群的活性，这种全新理念的确值得推广到许多种类的药物设计上。

相应的，对于现有药物来说，也确实多了一个全新的角度，可以帮助我们理解药物为何对一部分人有效、而对另一部分人无效。

而且，在方法学意义上，这项研究也开辟了一条研究肠道菌群功能的全新道路。

就像我们一开始讨论的那样，研究肠道菌群的传统思路，是从菌群整体变化入手，找到起最大作用的单一种类细菌。而我们这次介绍的研究，它抛开了对不同细菌种类的分离鉴别，转而从酶的活性出发，开展研究，最终证明了不同种类的许多种细菌都能生产同一类酶、起到类似的生物学作用，只是在具体活性上有强有弱而已。

在这个视角下，肠道菌群已经不再是一种种细菌构成的复杂社会，而是一类类酶构成的生物化学反应器。

沿着这个角度继续思考，你可能会围绕肠道菌群提出许多全新的问题。

比如，肠道菌群在多大范围和深度上介入、影响了人体当中复杂多样的生物化学反应？对于同样一种生物化学反应来说，人体和菌群中间是否存在相互竞争、协同进化的关系呢？拿一个生动的例子来作类比，会不会就像是人类学会了从水果中获取维生素C，因此就逐渐丧失了自行合成维生素C的能力这样呢？

你可能还会联想到人类生活方式这一块。比如，我们都已经知道，生活方式会影响人体本身的生物学活动，那生活方式会不会也同步影响细菌中类似的生物化学反应的进行呢？比如说，一旦你出现高脂饮食、睡眠不足、压力过大等问题，生活方式变得更糟糕，是不是也会影响你的肠道菌群，进而影响与之相关的、更多我们看不到的生物化学反应呢？

在我看来，一项优秀的医学研究不光能提供立竿见影的信息和提示，还能启发人们脑洞大开，进行奇妙的思考。

好，这就是本月的《巡山报告》。一个月后，我再次为你巡山。

参考资料

[1] Wang, K., Zhang, Z., Hang, J., Liu, J., Guo, F., Ding, Y., Li, M., Nie, Q., Lin, J., Zhuo, Y., Sun, L., Luo, X., Zhong, Q., Ye, C., Yun, C., Zhang, Y., Wang, J., Bao, R., Pang, Y., … Jiang, C. (2023). Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target. Science (American Association for the Advancement of Science), 381(6657), eadd5787–eadd5787.
[2] Hsiao, E. Y., McBride, S. W., Hsien, S., Sharon, G., Hyde, E. R., McCue, T., Codelli, J. A., Chow, J., Reisman, S. E., Petrosino, J. F., Patterson, P. H., & Mazmanian, S. K. (2013). Microbiota modulate behavioral and physiological abnormalities associated with neurodevelopmental disorders. Cell, 155(7), 1451–1463.
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[4] Chen, B., Sun, L., Zeng, G., Shen, Z., Wang, K., Yin, L., Xu, F., Wang, P., Ding, Y., Nie, Q., Wu, Q., Zhang, Z., Xia, J., Lin, J., Luo, Y., Cai, J., Krausz, K. W., Zheng, R., Xue, Y., … Jiang, C. (2022). Gut bacteria alleviate smoking-related NASH by degrading gut nicotine. Nature (London), 610(7932), 562–568.
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[10] Keller, L. J., Nguyen, T. H., Liu, L. J., Hurysz, B. M., Lakemeyer, M., Guerra, M., Gelsinger, D. J., Chanin, R., Ngo, N., Lum, K. M., Faucher, F., Ipock, P., Niphakis, M. J., Bhatt, A. S., O’Donoghue, A. J., Huang, K. C., & Bogyo, M. (2023). Chemoproteomic identification of a DPP4 homolog in Bacteroides thetaiotaomicron. Nature Chemical Biology.