肠道菌群可以通过产生与宿主酶的功能相似的酶来调节宿主的生理和病理生理学。然而，通过基于测序的研究很难确定这些微生物-宿主同工酶（microbial-host isozyme），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鉴定这类微生物-宿主同工酶更为可靠，有助于深入了解肠道菌群-宿主之间的交谈。
为了确定潜在的微生物-宿主同工酶，来自中国北京大学、首都医科大学、四川大学和美国国家癌症研究所的研究人员在一项新的研究中建立了一种酶活性筛选平台，包括对 110 种在多种人类疾病中起作用的酶进行活性测定。这些酶的活性是在源自粪便的体外细菌群落中测定的。二肽基肽酶 4（dipeptidyl peptidase 4, DPP4）是他们筛选出的一种重要的微生物-宿主同工酶，但人们对它对宿主的病理生理影响知之甚少。他们试图确定源自肠道菌群的 DPP4 是否会像宿主 DPP4（host DPP4, hDPP4）一样降低活性 GLP-1，从而影响血糖稳态。相关研究结果发表在2023年8月4日的Science期刊上，论文标题为“Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target”。
通过这种酶活性筛选平台，这些作者在人类肠道菌群中发现了 71 种具有阳性活性的酶，其中大部分的酶在无菌小鼠和无特定病原体小鼠粪便的蛋白提取物中得到了验证。在这些已确定的酶中，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，他们发现微生物 DPP4 主要由拟杆菌（Bacteroides spp.）产生，肠道微生物 DPP4（microbial DPP4, mDPP4）可在体外降解活性 GLP-1（7-37）。然而，mDPP4不能影响饲料喂养小鼠体内的活性GLP-1水平，但能降低高脂饮食（HFD）喂养小鼠或用右旋糖酐硫酸钠/吲哚美辛处理的小鼠体内的活性GLP-1活性并损害葡萄糖稳态，这表明肠道屏障受损是mDPP4影响宿主GLP-1活性所需的。
这些作者发现，临床 DPP4 抑制剂西他列汀（sitagliptin）未能有效抑制 mDPP4。通过在 1.97 埃的分辨率下解析 mDPP4 与西他列汀的共晶体，他们发现这种药物与 mDPP4 之间的结合性质与它与 hDPP4 之间的结合性质不同，这可能是抑制作用不同的原因。一项针对 2 型糖尿病 (T2D) 患者（n=57）的西他列汀临床试验（NCT04495881）和一项将这项新研究中高应答者和低应答者的粪便移植到高脂饮食喂养的小鼠体内的相关粪便微生物群研究表明，mDPP4 可限制西他列汀对 T2D 患者和葡萄糖耐受不良小鼠的疗效。
为了确定 mDPP4 的选择性抑制剂，这些作者筛选了大约107000 种化合物，并通过结构修饰确定了相比于 hDPP4 相比，Dau-d4作为蝙蝠葛苏林碱（daurisoline）的一种衍生物，能选择性地抑制 mDPP4 的活性。Dau-d4 能提高糖尿病小鼠体内 GLP-1 的活性水平并改善它们的葡萄糖代谢，而且Dau-d4 与西他列汀组合使用能进一步改善血糖稳态。
调节宿主代谢的肠道菌群-宿主同工酶的发现和抑制。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.add5787。
此外，蝙蝠葛苏林碱是一种从传统中草药蝙蝠葛（Menispermum dauricum）中提取的化合物，其中蝙蝠葛是一种天然形式的剧毒植物。通过羟基甲氧基化合成了一系列蝙蝠葛苏林碱衍生物，比如Dau-d4，并对Dau-d4进行了初步研究，它的抑制活性优于天然的蝙蝠葛苏林碱。作为一种西药，西他列汀是一种新型抗2型糖尿病药物，也是第一个用于治疗2型糖尿病的二肽基肽酶-Ⅳ (DPP-Ⅳ)抑制剂类药物，常以磷酸盐形式入药。
综上所述，这些作者开发出一种基于活性的策略来鉴定未表征的肠道微生物-宿主同工酶，从而加深了对肠道微生物-宿主相互作用的理解。肠道微生物 DPP4 同工酶可损害宿主的葡萄糖稳态，微生物 DPP4 活性的变化可能是导致 T2D 患者对西他列汀产生不同反应的原因。这些研究结果凸显了开发同时靶向宿主酶和肠道微生物酶的疗法以获得更大临床疗效的前景。
参考资料：
Kai Wang et al. Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target. Science, 2023, doi:10.1126/science.add5787.
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