肚子里的陌生菌

【新闻事件】：今天的《科学》杂志发表一篇哈佛大学科学家的一项有关肠道细菌基因毒性次级代谢产物鉴定研究。这个小组用大肠杆菌感染人体细胞或无菌小鼠，然后用高分辨LC-MS3技术分析DNA加成产物。由此反推一类叫做colibactin的次级代谢产物的化学结构和与DNA反应机理。这类物质由某些胃肠菌的一个叫做pks基因簇负责生物合成，这类pks阳性细菌在直肠癌患者中很常见。本文作者用pks阳性大肠杆菌瞬间转染人体细胞或无菌小鼠（pks阴性菌作为对照），然后分析DNA水解物中碱基的化学修饰。作者通过同位素标记colibactin生物合成起始氨基酸证明与DNA反应的物质来自colibactin合成通路，也通过化学合成在体外重复了这类毒物与DNA的加成反应。

【药源解析】：Colibactin因为不稳定一直结构未知，但这类物质的基因毒性是以前就知道的。以前分析鉴定过一些Colibactin的稳定前体，这些天然产物都含有一个环丙烷结构。这些前体末端有一段短肽保护，在一个叫做ClbP蛋白酶的催化下这段短肽被切断、产生高度活泼的毒性化学物质，引发一系列分子血案。根据这个研究结果现在的假说是末端氨基与分子内一个酮羰基缩合、激活了环丙烷。但这不是全部故事，因为控制这些步骤之外还有其它一些基因对Colibactin毒性很重要。另外虽然colibactin与DNA加成后增加DNA交叉链接，但这个过程中colibactin化学结构发生变化、因为质谱显示加成物分子量与预测不符。

环丙烷因为分子内张力很大所以不稳定，尤其是在自由基或离子状态。环丙烷外的正电荷或自由基都能加速环丙烷的破裂，因为产物烯丙自由基或正离子不仅没有分子内张力、还因为共轭体系都非常稳定。因为这个性质环丙烷也在化学中经常作为探测反应机理的结构片段。如果化学反应经过自由基或正离子中间体，底物反应中心加一个环丙烷、产物中这个环丙烷就不存在了。如果没有经过这些活泼中间体，产物中还应该有环丙烷存在。Colibactin与DNA加成反应中似乎经历了正离子中间体，但Colibactin是否在与DNA反应前就开环了现在仍是未知数。

人体胃肠道有数以兆计的各类微生物，按人头算与人体体细胞数目相当。这些细菌与人体长期为邻，在几百万年的共同进化中形成一个复杂的共生体系。可以说这些细菌对人体生理、病理的了解比我们自己都多，新药开发必须考虑这些小邻居。从几百个已知次级代谢产物到对药物的独特代谢，胃肠菌都直接影响人体生理、病理过程。最近几年微生物组已经成为新药研发的一个重要方向，美国国立卫生研究院前年也开始了一个微生物组计划。应用领域从粪便移植到免疫疗法都有胃肠微生物的身影，连神药二甲双胍都可能是通过肠道细菌起的作用。当然pks阳性菌制造Colibactin并不是为了让宿主得癌症，更重要目的是为了自身生存、如加强菌群定植或打击竞争细菌。但是宿主在这些细菌争斗中躺着中枪也不是个事，希望以后能搞清楚哪些细菌能把Colibactin递送到宿主、并有办法选择性清除这些隐藏在身边的危险分子。

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