近日，美国宾夕法尼亚州立大学的Andrew Patterson教授团队发现胆汁酸水解酶（BSH）是一种氨N-酰基转移酶，其可以将胺与胆汁酸结合起来，形成细菌胆汁酸酰胺酸酯（BBAA）（图1）。此外，团队结合多种方法展示了BSH生成BBAA的过程与机制，加深了对肠道微生物通过BSH显著调节胆汁酸代谢网络的理解。2024年2月，团队将题为“Bile salt hydrolase catalyses formation of amine-conjugated bile acids”的研究成果发表在了顶级学术期刊Nature杂志。

技术路线图

研究背景

1）最近的研究表明，胃肠道中的细菌可产生氨基酸胆汁酸酰胺酸酯，可影响宿主介导的代谢过程。然而，负责这些偶联反应的酶、甚至细菌基因仍然未知。

2）细菌胆汁酸酰胺酸酯（BBAA）在胃肠道中含量丰富，并与人类炎症性肠病有关，但这一过程如何影响宿主—微生物群通讯尚不清楚。

研究结果

● 蛋白质-小分子相互作用

总结先前相关报道以确定负责产生BBAA的可能候选基因，发现其中胆汁盐水解酶（BSH）基因与BBAA的产生显著相关，这种关联体现在双歧杆菌属和肠球菌属中，两种菌属广泛携带bsh基因以产生BBAA。

为了进一步探索bsh和其他基因在胆汁酸偶联中的参与，对产生BBAA的长双歧杆菌菌株进行转录组测序，共计鉴定筛选89个差异表达基因，其中bsh基因显著上调，随后RT-qPCR同样证实了bsh的转录水平显著增加。已知bsh的表达响应于胺结合和非胺结合胆汁酸的混合物而上调，因此推测BSH或具有以未结合胆汁酸为底物的胺N-酰基转移酶活性的可能性。

图1. 胆汁酸的酰胺化和去酰胺化反应、 bsh基因与不同细菌类群产生BBAAs的能力之间的相关性

●BSH是一种细菌的N-酰基转移酶 

随后选择BSH抑制剂GR-7来抑制经胆酸（CA）和去氧胆酸（DCA）处理的长芽孢杆菌产生的BSH。靶向定量代谢分析结果显示，与载体处理的对照组相比，添加GR-7会导致BBAA水平显著降低，特别是苯丙氨酸和丙氨酸偶联物。

培养bsh缺失（Δbsh）的脆弱拟杆菌菌株，经CA或牛磺胆酸（TCA）处理后，bsh的缺失导致CA和TCA无法诱导的BBAA产生，而互补[晓王1] 挽救了BBAA的产生，Δbsh定植小鼠结果同样如此，表明BSH具有胺N-酰基转移酶活性。随后将bsh基因从长芽孢杆菌克隆到pET-28b（+）载体（BlBSH）中，并在大肠杆菌中过表达。将大肠杆菌-BlBSH与CA或TCA孵育可产生BBAA，而未转化的大肠杆菌不产生BBAA，表明BSH的存在足以生产BBAA。对BlBSH活性位点附近的9个残基进行了定点诱变，发现BSH的N-酰基转移酶活性与每个突变的解偶联活性密切相关。

图2. BSH具有细菌的胆汁酸胺N-酰基转移酶活性

●BBAA水平与微生物群发育相吻合

对从出生到12个月的婴儿粪便作宏基因组测序，结果显示拟杆菌种群丰度逐随发育进展而升高，而双歧杆菌的相对丰度降低。靶向定量代谢分析结果提示BBAAs的水平也逐渐升高。在12个月大的婴儿中，肠球菌丰度与宿主结合的胆汁酸和BBAAs（包括Ala、Ile/Leu、Phe、Ser和Tyr）呈正相关。在1个月大的婴儿中，双歧杆菌丰度与宿主结合的胆汁酸呈负相关，与His和Thr的胆汁酸结合呈正相关。这些数据支持了BBAA的产生与表达bsh的细菌的定植呈正相关。

图3. BBAA的产生随着婴儿微生物群的发展而增加

●BBAA可激活宿主转录因子 

用Glu-CA或Glu-CDCA处理从小鼠和人小肠隐窝培养的类器官，荧光素酶报告基因分析发现在小鼠类器官中的Cyp3a11、Cyp1a1和Bsep表达上调，表明孕烷X受体（PXR）和芳基烃受体（AHR）被转录激活。用较高浓度的Glu-CDCA处理后的人类类器官中的AHR受体中的CYP1A1表达也上调，揭示了BBAAs可激活宿主转录因子。

研究结论

本研究联合运用靶向定量代谢物、转录组测序、宏基因组测序、菌株培养、粪菌定植等多种方法，创新性发现了胆盐水解酶（BSH）具有N-酰基转移酶活性，且可以形成细菌胆汁酸酰胺酸酯（BBAA），并与肠道细菌的定植呈正相关。本研究结果有助于增强对肠道细菌通过BSH在调节胆汁酸代谢网络中发挥重要作用的理解。

参考文献

Rimal B, Collins SL, Tanes CE, et al. Bile salt hydrolase catalyses formation of amine-conjugated bile acids. Nature. 2024.

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