近日，Nature Communications在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心姜衛(wèi)紅研究組題為Discovery of an ene-reductase for initiating flavone and flavonol catabolism in gut bacteria的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了來(lái)源于腸道微生物的一種新型烯還原酶——黃酮還原酶，并揭示其在代謝黃酮和黃酮醇這兩類(lèi)藥/食來(lái)源化合物過(guò)程中的關(guān)鍵作用以及對(duì)腸道菌群微生態(tài)的影響。

腸道微生物與人類(lèi)長(zhǎng)期共存，協(xié)同進(jìn)化，具備代謝食源和藥源物質(zhì)的能力，與人體的營(yíng)養(yǎng)和健康密切相關(guān)。黃酮類(lèi)化合物是植物合成的主要的多酚類(lèi)天然產(chǎn)物，具有重要的生理和藥用活性。它們不僅在人類(lèi)的日常飲食中廣泛存在，而且是許多臨床藥物的來(lái)源，具有抗氧化、抗心血管疾病和抗腫瘤等功效。人體腸道菌群可代謝黃酮類(lèi)化合物，形成功能各異的活性物質(zhì)，亦可發(fā)生轉(zhuǎn)化而影響其生物利用度，因而解析代謝途徑是認(rèn)識(shí)這些過(guò)程的基礎(chǔ)。然而，黃酮類(lèi)化合物在腸道微生物中的代謝機(jī)制目前并不清晰。其中，主要的兩類(lèi)化合物——黃酮和黃酮醇代謝途徑中負(fù)責(zé)起始反應(yīng)的關(guān)鍵酶尚未被發(fā)現(xiàn)和鑒定。

在該研究中，科研人員聚焦于一種可代謝黃酮類(lèi)化合物的腸道菌——解黃酮梭菌Clostridium orbiscindens，通過(guò)生物信息學(xué)分析結(jié)合遺傳與生化研究方法，鑒定和表征了該菌中起始黃酮代謝的關(guān)鍵酶，命名為黃酮還原酶（Flavone reductase, FLR）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該酶不僅能夠催化黃酮的降解和轉(zhuǎn)化，對(duì)另一大類(lèi)黃酮類(lèi)化合物——黃酮醇也有同樣的催化活性。FLR是迄今為止唯一報(bào)道的可催化黃酮和黃酮醇C環(huán)結(jié)構(gòu)上C2=C3鍵加氫生成二氫黃酮和二氫黃酮醇的還原酶，它啟動(dòng)了整個(gè)代謝途徑中的關(guān)鍵反應(yīng)，也是生成免疫激活劑脫氨基酪氨酸的重要一步。該酶底物譜較為寬泛，與已知的烯還原酶不同，它不依賴(lài)NAD(P)H作為電子供體，并且缺乏在大多數(shù)烯還原酶中保守的組氨酸和酪氨酸殘基。為了深入解析FLR的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系及分子機(jī)理，研究組通過(guò)合作獲得了FLR蛋白及其與多種底物的共結(jié)晶，分析確定了其活性中心的構(gòu)象以及結(jié)合底物分子的活性口袋位置，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)C端約100個(gè)氨基酸殘基決定該酶催化功能的特異性。同時(shí)，對(duì)FLR的關(guān)鍵氨基酸殘基進(jìn)行定點(diǎn)突變，鑒定了影響酶活性的重要位點(diǎn)?；谏鲜鲅芯?，提出了FLR不依賴(lài)NAD (P) H催化黃酮和黃酮醇C2=C3鍵親核加成的分子機(jī)制。

既然FLR能夠啟動(dòng)黃酮代謝，它在腸道中發(fā)揮怎樣的生理生化功能？研究人員分析了它對(duì)食源和藥源物質(zhì)代謝的能力。由于C. orbiscindens目前未有遺傳操作系統(tǒng)，因此選擇另一株可操作的腸道梭菌——永達(dá)爾梭菌Clostridium ljungdahlii進(jìn)行FLR的功能測(cè)試。結(jié)果顯示，含有FLR的野生型菌株對(duì)食物源的多種黃酮類(lèi)化合物（如芹菜素、槲皮素）以及作為藥物的黃酮類(lèi)制劑（如香葉木素和黃芩素）均具有代謝轉(zhuǎn)化能力，而flr基因突變株則不能代謝這些化合物，從而證明了FLR在腸道梭菌利用食物和藥物源黃酮類(lèi)化合物的過(guò)程中發(fā)揮的重要作用。此外，特定腸道菌群的生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)還表明，F(xiàn)LR賦予宿主菌在面臨黃酮脅迫壓力時(shí)的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。

種系發(fā)育分析顯示，F(xiàn)LR同源基因存在于不同的微生物門(mén)類(lèi)（如細(xì)菌，古菌及真菌）中，且主要分布于黃酮豐富的生境里。進(jìn)一步的宏基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，flr基因在不同人群中的腸道菌中廣泛存在，預(yù)示其作用具有普遍性。綜上，該研究發(fā)現(xiàn)并鑒定了一種新型烯還原酶，填補(bǔ)了腸道微生物代謝黃酮類(lèi)化合物途徑中的一個(gè)關(guān)鍵缺口，為深入認(rèn)識(shí)和理解人體對(duì)這類(lèi)藥食同源化合物的轉(zhuǎn)化利用提供了借鑒。

分子植物卓越中心博士研究生楊高華、洪森和楊朋潔為論文的并列第一作者，研究員顧陽(yáng)和姜衛(wèi)紅為論文的共同通訊作者。研究工作得到張鵬研究組、王勇研究組的支持，并獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的資助。

論文鏈接

分子植物卓越中心發(fā)現(xiàn)腸道梭菌中新型黃酮還原酶及其生理功能