Nature | 肠道内降解胰蛋白酶的细菌及其机制

Identification of trypsin-degrading commensals in the large intestine

作者：Youxian Li, Eiichiro Watanabe, Yusuke Kawashima, Damian R. Plichta, Zhujun Wang, Makoto Ujike, Qi Yan Ang, Runrun Wu, et al.

Nature   2022/09/07

Increased levels of proteases, such as trypsin, in the distal intestine have been implicated in intestinal pathological conditions1,2,3. However, the players and mechanisms that underlie protease regulation in the intestinal lumen have remained unclear. Here we show that Paraprevotella strains isolated from the faecal microbiome of healthy human donors are potent trypsin-degrading commensals. Mechanistically, Paraprevotella recruit trypsin to the bacterial surface through type IX secretion system-dependent polysaccharide-anchoring proteins to promote trypsin autolysis. Paraprevotella colonization protects IgA from trypsin degradation and enhances the effectiveness of oral vaccines against Citrobacter rodentium. Moreover, Paraprevotella colonization inhibits lethal infection with murine hepatitis virus-2, a mouse coronavirus that is dependent on trypsin and trypsin-like proteases for entry into host cells4,5. Consistently, carriage of putative genes involved in trypsin degradation in the gut microbiome was associated with reduced severity of diarrhoea in patients with SARS-CoV-2 infection. Thus, trypsin-degrading commensal colonization may contribute to the maintenance of intestinal homeostasis and protection from pathogen infection.

胃肠道会暴露于食物、微生物群及其衍生物、宿主消化酶等，这些都造就了胃肠道这个独特的器官。消化酶可以在小肠上部将膳食中的营养素分解为小分子，但是消化酶在大肠是不需要的。远端肠道蛋白酶水平升高与肠道病理状况有关。消化酶的活性失调与肠道菌群组变化、黏膜屏障完整性破坏以及炎症的发生相关。为了维持屏障的完整，肠道组织有多种调节和保护机制，如产生黏蛋白和酶失活分子。而且肠道菌群也可以通过消耗或者改变肠腔中的物质而有助于维持屏障稳定。目前尚不清楚哪些微生物可以调控消化酶，以及如何调控消化酶。

近日，日本RIKEN综合医学科学中心的Kenya Honda团队在Nature 上发表题为Identification of trypsin-degrading commensals in the large intestine 的文章。该文章鉴定出了肠道内降解胰蛋白酶的细菌种类，并探讨了细菌降解胰蛋白酶的机制以及对感染性疾病的影响。

为了检测肠道微生物对肠腔内蛋白质的影响，作者收集了无菌小鼠和SPF小鼠盲肠内容物，用质谱进行蛋白质组学分析。对比发现SPF小鼠中有324种蛋白质含量高，而无菌小鼠中有45种蛋白质比SPF小鼠含量高，其中包括小鼠胰蛋白酶阴离子异构体，由Prss2编码。作者又用免疫染色和western blot证实了这一现象。作者还检测了肠道不同部位的胰蛋白酶活性，发现仅在大肠中具有差异，这表明胰蛋白酶或许受到大肠菌群的调节。健康人和小鼠的粪便胰蛋白酶水平往往较低。作者检测了来自两个炎性肠病患者的粪便样本和IL-10缺失小鼠的粪便，发现胰蛋白酶活性较高。这表明了菌群介导的胰蛋白酶活力调节的重要性。接下来作者将来自6名健康个体的粪便样本移植入无菌小鼠，其中5名个体的菌群可有效降低小鼠的胰蛋白酶活性。从降低胰蛋白酶活性的一组小鼠中选择一只，并将盲肠内容物灌胃至一组新的无菌小鼠。作者将这一组小鼠分为四组，分别给与氨苄青霉素、甲硝唑、泰乐菌素以及不含抗生素的饮用水。作者发现氨苄青霉素处理会进一步降低胰蛋白酶活性，但是甲硝唑或泰乐菌素则会恢复降低的胰蛋白酶活性。这表明该样本菌群中的降低胰蛋白酶的细菌在氨苄处理组中富集，但是在其他两种处理中减少。

接下来作者挑选了一只经氨苄处理的小鼠，厌氧培养其盲肠内容物，并挑选了432个不同的菌落进行16s rRNA测序分析，鉴定分离出了35种菌株，这些菌株广泛覆盖了小鼠体内定植的菌群。将35种细菌混合物移植入无菌小鼠，发现可以重复出胰蛋白酶活性降解的表型。其中14种菌株的丰度与小鼠胰蛋白酶活性呈负相关。将这14种菌株混合物移植到无菌小鼠中，可以降低胰蛋白酶活性。通过将细菌与重组小鼠胰蛋白酶体外培养，作者最终发现Paraprevotella clara是唯一能够降低胰蛋白酶的细菌。而其他34种细菌混合物则不能降低胰蛋白酶活性。进一步检测发现降解胰蛋白酶活性这一特性在Paraprevotella菌株中是保守的。

进一步探究，作者发现该细菌降解胰蛋白酶依赖于T9SS的多糖结合外膜蛋白00502和00509。胰蛋白酶的降解或许会增加胰蛋白酶降解菌种在环境中的适应性。胰蛋白酶活性水平会影响肠道IgA丰度以及对肠道病原体的反应性。携带00502基因与小鼠对MHV-2感染抵抗以及人COVID-19期间腹泻程度降低具有相关性。这也表明00502介导的胰蛋白酶降解也会影响宿主对肠道病毒感染的敏感性。

本研究为理解菌群介导的蛋白酶调节的机制和生理意义提供了有价值的见解，未来可以利用已鉴定的细菌和胰蛋白酶降解机制参与感染疾病的预防和治疗。