腸道微生物在多種人類代謝疾病中都扮演著重要的角色。它們可以通過產(chǎn)生與宿主功能相似的酶來調(diào)節(jié)宿主的生理和病理生理活動。近期， Science 上一篇文章發(fā)現(xiàn)，一種菌源的二肽基肽酶 4 ( DPP4 ) 可以逃過針對宿主的 DPP4 抑制劑治療，促進糖尿病的發(fā)生
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2023 年 8 月 4 日，來自北京大學基礎醫(yī)學院的姜長濤教授團隊聯(lián)合北京大學第三醫(yī)院喬杰院士團隊、北京大學化學學院雷曉光教授團隊、美國國立衛(wèi)生研究院 Frank Gonzalez 團隊以及首都醫(yī)科大學朝陽醫(yī)院王廣團隊，在?Science?上發(fā)文?Microbial-host-isozyme analyses reveal microbial DPP4 as a potential antidiabetic target?，揭示了腸道菌源同工酶跨物種調(diào)控代謝性疾病的新機制，并提出了治療的新靶點。
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微生物-宿主同工酶 ( microbial-host isozymes )?是腸道微生物中產(chǎn)生的與可以在宿主中行使類似功能的酶，但大部分腸道微生物衍生的蛋白功能仍是未知的。在本研究中，作者開發(fā)了一個酶活性篩選平臺來研究腸道微生物來源的酶是如何影響并參與宿主的正常生理以及病理生理活動的。
在篩選過程中，作者發(fā)現(xiàn)在 10 個人類樣本中，二肽基肽酶 4 ( dipeptidyl peptidase 4，DPP4 )?具有最高的平均 Z 分數(shù)。這引起了作者的興趣，DPP4 是治療 2 型糖尿病 (T2D ) 的重要靶點，負責降解 GLP-1 ( 7-36 ) 酰胺或GLP-1 ( 7-37 ) ，但由于未知的原因，其抑制劑對糖尿病的療效在不同患者間存在較大的差異。
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小貼士
胰高血糖素樣肽-1 ( glucagon-like peptide-1, GLP-1 )?是一種由腸道 L 細胞分泌的激素，主要通過激活 GLP-1 受體 ( GLP-1R ) 在?餐后葡萄糖穩(wěn)態(tài)協(xié)調(diào)?中起到重要的作用。GLP-1 包括活性 GLP-1 和非活性 GLP-1 ， DPP4 負責降解的 GLP-1 ( 7-36 ) 酰胺和 GLP-1 ( 7-37 ) 屬于?活性 GLP-1?，而其降解產(chǎn)物?GLP-1 ( 9-36 )?酰胺和?GLP-1 ( 9-37 )?則屬于非活性 GLP-1 ，不能激活 GLP-1R 。
根據(jù)先前的研究，腸道 DPP4 活性是降解 GLP-1 并調(diào)節(jié)葡萄糖耐量所必需的[1]。本研究發(fā)現(xiàn)，除開宿主 DPP4 ，菌源的 DPP4 （以?B. thetaiotaomicron peptidase 1 ，btDPP4?為主）也參與了 GLP-1 的降解。而此前常用于治療 T2D 的臨床相關?DPP4 抑制劑（包括?西格列汀）僅對宿主 DPP4 有抑制作用，對菌源性 DPP4 收效甚微，這可能解釋了某些 T2D 患者對西格列汀的不同反應。
▲?研究概覽
因此，靶向菌源性?DPP4 ，對于 T2D 的治療具有極大的潛力。研究?基于 btDPP4 蛋白開發(fā)了高通量藥物篩選系統(tǒng)，測試了 107,000 種化合物小分子的抑制效果。在 10 μM 濃度下，有 10 種化合物抑制 btDPP4 活性達90% ?(命中率 0.01% )。在這 10 個化合物中，對 btDPP4 抑制活性最強 ( IC50 = 0.37 μM ) 的是一種存在于多種藥用草藥中的生物堿天然產(chǎn)物?daurisoline ( Dau )?。并且它還具有高選擇性，對人類 DPP4 ( hDPP4 ) 幾乎沒有抑制作用。
通過對一系列 Dau 衍生物的構效分析，找到一種通過羥基甲氧基化合成的 Dau-d4 ， 比天然分子具有更高的 btDPP4 抑制活性 ( IC50 = 88 nM ) ，且沒有 hDPP4 抑制活性。通過?等溫滴定量熱法 (?isothermal titration calorimetry，ITC )?，研究發(fā)現(xiàn) Dau-d4 與 btDPP4 結(jié)合的 KD 為 0.27 μM ，遠小于西格列汀與 btDPP4 結(jié)合的 KD 12.6 μM 。
在分析了 btDPP4-Dau-d4 配合物與的 hDPP4 共晶結(jié)構后，作者認為這種選擇性抑制可能是由于活性位點周圍的不同殘基組成，特別是 V/VI 連接基序的突變引起的。
與對照組相比， Dau-d4 處理的小鼠糞便和腸外組織中 DPP4 活性顯著降低，腸道和血漿中 GLP-1 活性水平顯著提高，改善了糖耐量與肥胖小鼠的葡萄糖穩(wěn)態(tài)。并且對幾種宿主細胞系與幾種腸道菌群均無明顯的毒性作用。
▲?Dau-d4?可以改善宿主葡萄糖代謝
總結(jié)
綜上，本研究發(fā)現(xiàn)了在腸道菌群中，DPP4 是一種主要的微生物-宿主同工酶，其靶向的 GLP-1 對于葡萄糖穩(wěn)態(tài)至關重要。由此通過高通量篩選鑒定出一種針對菌源性 DPP4 的抑制劑 Dau-d4 ，在對常規(guī)宿主 DPP4 抑制劑不敏感的 T2D 患者的治療中具有很高的治療潛力。
