Cell Host & Microbe | 周宏伟/何肖龙等揭示肠道菌群DL-内肽酶通过NOD2途径缓解克罗恩病

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克罗恩病 （ CD ） 是一组肠黏膜非特异性慢性炎症反应性疾病，是炎症性肠病的主要亚型。CD最初主要高发于北美和西欧等发达国家，然而近些年，在原本的低发病地区-亚洲以及东欧地区，特别是在中国，该病的发病率出现惊人的上升，现已成为一种全球性疾病。CD的发病机制很复杂，是遗传因素和环境因素共同作用的结果，其中模式识别受体NOD2的基因突变是驱动CD的最强遗传因子。NOD2可识别菌群来源的肽聚糖片段 （如胞壁酰二肽MDP等） 而激活，继而通过调控肠上皮屏障、粘蛋白和抗菌肽分泌、肠细胞再生和分化等维持肠道稳态。过往的研究主要关注于NOD2基因突变或信号转导受阻如何影响NOD2通路，而肠道菌群紊乱是否可引起NOD2失活驱动CD并不清楚。

2022年8月31日，南方医科大学周宏伟、何肖龙与University of Groningen的Rinse K. Weersma合作在Cell Host & Microbe上发表了文章 Gut microbial DL-endopeptidase alleviates Crohn's disease via the NOD2 pathway 。本研究发现肠道菌群DL-内肽酶是产生NOD2配体的关键酶。进而分析了来自全球多个地区 （中国、美国、荷兰、西班牙） 的857例宏基因组数据，发现DL-内肽酶基因丰度在克罗恩病中显著降低，且与CD疾病活动度负相关。在体内实验层面，证实DL-内肽酶活性低的CD人粪菌可显著增加小鼠肠炎易感性。最后发现， 直接补充DL-内肽酶、产DL-内肽酶益生菌或小分子NOD2激活剂，均能通过激活NOD2信号缓解小鼠肠炎。该研究为靶向NOD2信号通路治疗CD提供了理论依据，并揭示了一种传统益生菌的重要作用机制。

1. 肠道菌群DL-内肽酶是产生NOD2配体的关键酶

研究人员首先分析了八种肽聚糖水解酶在1520株肠道细菌参考基因组中的分布，发现DL-内肽酶主要集中于一些厚壁菌门和少数拟杆菌门，且拷贝数较低 （1-2个） ；从人整体肠道菌群水平看来，DL-endopeptidase基因丰度较低，且体现出较大的人群差异。进而分析了厚壁菌门和拟杆菌门中46种共生菌株的NOD2激活能力，结果表明：具有NOD2激活能力的菌株都编码DL-内肽酶，并从唾液乳杆菌 （L. salivarus） 中鉴定出一种新的DL-内肽酶 （UC118） ，其已知的DL-内肽酶相比，同源性低于15%。同时还发现，DL-内肽酶不仅可以使其编码菌本身产生NOD2配体，同时也可以水解其他细菌细胞壁肽聚糖促使其释放NOD2配体。体内动物实验表明，灌胃DL-内肽酶可以呈浓度依赖地升高小鼠肠组织及粪便中NOD2配体含量。进一步，通过对17个人体的粪菌样本进行分析，发现与NOD2激活呈正相关的细菌都来自能编码DL-内肽酶的厚壁菌。以上结果表明，肠道菌群来源的DL-内肽酶，是产生NOD2配体的关键酶。

2. DL-内肽酶的基因丰度在CD患者中降低，并与结肠活动度负相关

为了研究DL-内肽酶在CD发生发展中的作用，研究人员分析了来自全球多个地区 （中国、美国、荷兰、西班牙） 的4个IBD队列 （含857个样本的宏基因/转录/CD活动度） 数据，发现来自厚壁菌门DL-内肽酶的基因丰度在CD患者中显著降低 （和2B） 。进一步在iHMP的小肠组织转录样本中，使用CIBERSORT评估组织免疫细胞的浸润程度，及其与DL-内肽酶基因丰度的关系，发现DL-内肽酶基因丰度与炎症状态呈负相关 （2D） 。此外，还发现来自中国队列CD患者的粪菌NOD2激活能力和MDP水平显著降低，且 NOD2配体水平和DL-内肽酶基因丰度均与肠炎活动呈负相关，其结果在荷兰队列中也得到了验证 （2C和2E-2G） ：在矫正了NOD2基因突变、C反应蛋白等指标后，较低的DL-内肽酶丰度与严重CD病变 （狭窄及穿透表型） 显著相关。这些结果表明，在CD患者中，DL-内肽酶的减少参与了CD的发生发展。

3. 移植DL-内肽酶活性低的CD患者粪便菌群，可增加小鼠的结肠炎易感性

为了研究DL-内肽酶缺乏是否会使小鼠易患结肠炎，以及NOD2信号在此过程中的作用，研究人员将健康人，高DL-内肽酶活性 （DL-endo^High） 和低DL-内肽酶活性组 （DL-endo^low） CD患者的粪菌分别接种给野生型小鼠或NOD2^-/-小鼠，然后采用DSS诱导肠炎。不同组受体小鼠微生物群存在差异和3B，编码DL-内肽酶基因的一些厚壁菌门细菌在健康受体小鼠中富集。最重要的是，从健康，DL-endo^High到DL-endo^low小鼠，粪菌NOD2的激活能力依次降低。在野生型小鼠中，从健康，DL-endo^High到DL-endo^low小鼠肠炎严重程度依次加重，而在NOD2^-/-小鼠中，DL-endo^High和DL-endo^low小鼠之间的差异消失，说明NOD2介导了DL-endo^High和DL-endo^low两个组别之间的差异。同时，在NOD2^-/-小鼠中，CD组小鼠肠炎比健康粪菌组小鼠肠炎严重，提示，除了NOD2以外，还有其它致病因子参与了CD发病。

4. 多种增强NOD2信号的策略可缓解小鼠肠炎

研究人员接下来评估了增强NOD2信号治疗肠炎的潜力，发现补充 DL-内肽酶 (UC118) ，而非DL-内肽酶活性位点突变蛋白，可以对葡聚糖硫酸钠 （DSS） 诱导的结肠炎发挥保护作用，而当小鼠接受NOD2抑制剂 （GSK717） 治疗时，UC118对结肠炎的的保护作用消除，表明DL-内肽酶通过重塑肽聚糖片段谱激活NOD2信号缓解小鼠肠炎。

进而研究人员也评估了编码DL-内肽酶的益生菌 （一株研究人员实验室分离的唾液乳杆菌） ，以及MDP小分子类似物米法莫肽 （在欧美获批辅助治疗黑色素瘤） 对肠炎的治疗效果，发现它们均可通过NOD2信号通路缓解肠炎。

总之，本研究通过宏基因组、细菌培养组、代谢组等多组学分析，结合人群数据和动物实验，发现肠道菌群来源的一种肽聚糖水解酶——DL-内肽酶 （DL-endopeptidase） ，能够促进肠道中的NOD2配体生成，从而活化宿主NOD2信号。这种细菌酶的耗竭在CD病理进程中有关键作用， 该成果首次揭示肠道菌群紊乱可通过影响NOD2信号转导而驱动CD发生和发展。另外，研究提示NOD2激活可能是传统益生菌，如唾液乳杆菌，发挥疗效的重要机制，研究结果为传统益生菌的精准用药提供了新思路。

据悉，本研究的共同一作为高杰 （南方医科大学） 、赵芯梅 （南方医科大学） 、胡世贤 （南方医科大学） 、黄祯荷 （南方医科大学） 。其他作者包括南方医科大学：胡梦瑶、金少琴、陆冰云、孙凯；华南师范大学：王璋；格罗宁根大学：傅静远。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.chom.2022.08.002

制版人：十一

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