Nature：肠道细菌利用硫酸酯酶降解结肠中的粘液糖蛋白获取生长所需的营养物

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在一项新的研究中，来自美国密歇根大学、英国利物浦大学和瑞典哥德堡大学等研究机构的研究人员发现一种硫酸酯酶（sulfatase）促进了保护肠道内壁的粘液的降解，从而可能导致炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）和结直肠癌产生。相关研究结果于2021年10月6日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“A single sulfatase is required to access colonic mucin by a gut bacterium”。

人类肠道微生物群对肠道健康和疾病（包括IBD和结直肠癌）的几个方面有很大影响。在结肠中，分泌的粘液形成了一道屏障，将肠道微生物与肠道内壁分开，防止它们之间的密切接触，这可能会导致一些肠道疾病。

一些肠道细菌能够利用粘液糖蛋白（mucin glycoprotein），即粘液的主要成分，作为营养来源。然而目前仍不清楚哪些细菌酶会启动对粘液糖蛋白中发现的复杂O-聚糖的降解过程。

硫酸酯酶在包括疾病在内的许多生物过程中发挥着关键作用，但特异性和具体的机制仍不清楚。

结肠粘液的一个主要成分是粘液蛋白2（MUC2，一种粘液糖蛋白）。粘蛋白的糖基化在胃肠道中是可变的，而在结肠中，特别是在远端结肠中，粘蛋白的硫酸化增加了。

为了降解粘蛋白中发现的复杂O-聚糖，一些人类的肠道细菌已经进化出一个复杂的降解酶库，包括硫酸酯酶。通过描述人类肠道共生菌多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron）产生的12种不同的硫酸酯酶的活性，研究者发现，它们对O-聚糖中所有已知的硫酸盐键都具有活性，而且它们对于多形拟杆菌利用远端结肠粘蛋白的O-聚糖至关重要。这项研究揭示多形拟杆菌具有在高度硫酸化的结肠粘蛋白上生长的强大能力，并且拥有能够在O-聚糖中所有已知的硫酸盐键中去除硫酸基的硫酸酯酶。令人惊讶的是，一种关键的硫酸酯酶对这种细菌在结肠粘蛋白O-聚糖上的生长是极其重要的。

拟杆菌、Phocaeicola菌株和Akkermansia muciniphila在不同粘蛋白O-聚糖中的生长，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03967-5。

其中的三种硫酸酯酶的晶体结构为揭示它们的底物特异性的分子机制提供了新见解。出乎意料的是，他们发现其中的一种硫酸酯酶对体外利用硫酸化的O-聚糖至关重要，而且在体内也有重要作用。

这些研究结果使得研究者可以深入了解一组肠道细菌降解粘蛋白的机制，这是一个对正常的微生物肠道定植和诸如IBD和结直肠癌之类的肠道疾病都很重要的过程。

鉴于哺乳动物宿主之间的粘蛋白糖结构可能有所不同，这些关键步骤最终可能需要在人类身上得到验证。

这些发现将为未来阻断这一复杂的酶途径的研究提供信息，并有可能抑制导致IBD等疾病的在细菌中进行的粘蛋白降解活动。

参考资料：
Eric Martens et al. A single sulfatase is required to access colonic mucin by a gut bacterium. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03967-5.