撰文 | 陳文強 博士
責編 | 兮
越來越多的研究表明，從飲食中攝取的植物來源代謝物對健康有著重要意義。提到蔬菜水果，大家首先想到的是膳食纖維、微量元素等，而實際上，包括水果蔬菜在內的許多飲食植物的次級代謝物均可產生藥理學效應。然而，我們對這些代謝物多樣性的了解仍然非常有限，尤其對果蔬在咀嚼進入體內後的代謝狀況，我們的了解仍然很不足，因此限制了我們對其促健康效應的研究。此外，腸道共生菌(commensal microbes)如何代謝這些具有生物活性的小分子代謝物，如何改變其生物活性，這些都是我們有待解決的科學問題。
近年來，飲食植物中的一個明星代謝產物硫代葡萄糖苷(glucosinolates, GSs)受到廣泛關注。硫代葡萄糖苷是十字花科蔬菜(Brassicaceae)中含量豐富的代謝物，已有多項研究表明該代謝產物能顯著降低部分腫瘤的風險，這包括，流行病學研究已經提示富含西藍花、捲心菜在內的十字花科植物的飲食能降低胃腸道癌。
人們普遍認為異硫氰酸酯(Isothiocyanates, ITCs)是具有抗癌效應的主要代謝物【1】。而實際上，異硫氰酸酯並不在十字花科植物中富集，而主要是生物學惰性的硫代葡萄糖苷在體內的水解產物(圖1A)。這一過程在體內是如何發生的？
2020年2月20日，來自美國斯坦福大學的Elizabeth Sattely課題組在Cell雜誌線上發表了題為A Metabolic Pathway for Activation of Dietary Glucosinolates by a Human Gut Symbiont的研究論文，通過全基因組轉座的插入篩選技術，識別出了硫代葡萄糖苷經擬桿菌(B. thetaiotaomicron)代謝所需的操縱子，並通過一些列功能操控實驗揭示了腸道共生菌代謝這一重要膳食營養物的生物學機制。
首先，研究人員擬驗證擬桿菌不同菌株轉化硫代葡萄糖苷為異硫氰酸酯的能力。通過人源分離株(圖1C)培養實驗及液相色譜-串聯質譜法，研究人員發現存在可代謝硫代葡萄糖苷和不可代謝硫代葡萄糖苷的不同擬桿菌菌株，提示菌株間差異可能是宿主產生異硫氰酸酯能力的個體間差異來源。
圖1. 細菌黑芥子酶可將硫代葡萄糖苷(GSs)啟用轉化為異硫氰酸酯(ITCs)
為識別代謝硫代葡萄糖苷的關鍵候選基因，研究人員開展全基因組轉座子插入篩選研究，使用半隨機PCR，發現了26個關鍵基因，包括兩大基因簇，預測為操縱子，其中最豐富的的操縱子主要涉及到磷酸戊糖途徑，由於這一途徑主要涉及碳代謝，研究人員將其排除在外，因其不太可能直接負責將硫代葡萄糖苷轉化為異硫氰酸酯。而第二豐富的操縱子BT2159-BT2156，涉及到碳水化合物代謝途徑，因此被認為含有主要執行的硫葡萄糖苷酶功能的候選基因(圖2)。
隨後研究人員進行了異源表達(heterologous expression)(原文圖2)，包括兩部分實驗。第一部分為功能缺失(loss-of-function)研究，使用靶向基因組缺失實驗以鑑別出操縱子BT2159-BT2156的哪些基因直接參與硫代葡萄糖苷的水解作用，發現BT2157為異硫氰酸酯在擬桿菌中產生所必需，而BT2158缺失將產生有害效應。因此，研究人員認為BT2157和BT2158在硫代葡萄糖苷轉化為異硫氰酸酯的過程中具有重要作用。第二部分為功能獲得(gain-of-function)研究。研究人員發現同時表達BT2157及BT2158並不足以增加硫代葡萄糖苷的代謝活性，而只有在同時表達BT2157及BT2158的基礎上，再表達BT2156或者BT2159才能得到可測量到的異硫氰酸酯水平。
此後，研究人員分別進行體外生化研究及體內動物實驗驗證。體外生化實驗主要是在金蓮葡萄糖硫苷(BGS)和NAD+的存在下，通過孵育不同組合的純化BT2159-BT2156，使用LC-MS技術找到硫代葡萄糖苷體外轉化的最小蛋白組合的需求。結果發現，BT2158在硫代葡萄糖苷體外水解過程必要而不充分。隨後的研究進一步發現，BT2158在於BT2156或者BT2157的組合下，才能充分將硫代葡萄糖苷轉化成異硫氰酸酯。此外，研究人員也發現其他膳食碳水化合物也可作為催化底物，包括纖維二糖及麥芽糖。因此，這部分結果提示，BT2159-BT2156可在體外代謝多個二糖。
體內動物實驗的進行是為了在腸道菌群定植(gut colonization)的背景下研究這些操縱子轉化硫代葡萄糖苷是否必須。研究人員給小鼠植入野生型擬桿菌及BT2157突變型擬桿菌，再在食物中補充純的BGS。研究人員發現野生型擬桿菌植入的小鼠的尿液中存在更高水平的BITC-NAC及BITC-cys，均為已知的十字花科植物攝入及異硫氰酸酯攝入的標誌物【2】。在植入突變型擬桿菌的小鼠或者在無菌小鼠的尿液中，這些標誌物的含量都極低。研究人員也在補充硫代葡萄糖苷的同時給與小鼠西藍花餐(富含多種硫代葡萄糖苷，包括新葡萄糖蕓薹素、羥基葡萄糖素等)，同樣也發現了植入野生型擬桿菌的小鼠尿液中標誌物的存在。這些結果提示BT2159-BT2156的確在硫代葡萄糖苷的體內的水解過程中具有重要作用。
總而言之，本文通過一系列完整的全基因組篩選、異源表達、體外生化及體內代謝驗證實驗(圖4)，完整地揭示了膳食植物代謝物硫代葡萄糖苷在腸道微生物代謝下產生活化產物異硫氰酸酯的機制。同時，結合近年來在遺傳工具上的突破，這一研究也給我們提示，腸道共生菌通過代謝途徑產生像異硫氰酸酯這樣的活性產物，可以給我們帶來無限的治療途徑的思路，從而更好地研究腸道菌如何和我們日常膳食中獲得的果蔬代謝物來影響我們的健康。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.01.023
參考文獻
1. Herr and Buchler (2010). Dietary constituents of broccoli and other cruciferous vegetables: implications for prevention and therapy of cancer. Cancer Treat. Rev. 36, 377–383.
2. Hwang and Jeffery. (2003). Evaluation of urinary N-acetyl cysteinyl allyl isothiocyanate as a biomarker for intake and bioactivity of Brussels sprouts. Food Chem. Toxicol. 41, 1817-1825.