Cell Host & Microbe：未培养的人肠道细菌的胆固醇代谢影响宿主胆固醇水平

图1. 血清胆固醇水平对人体健康很重要，可由多种因素调节，包括肠道微生物群对胆固醇的潜在代谢

肠道中的多种微生物会代谢和修饰小肠中饮食和宿主衍生的分子，由于胆固醇的两种来源都通过这种环境，因此肠道菌群可能会影响血清胆固醇水平。关于肠道微生物群如何发挥降胆固醇作用的一个可能是将肠道胆固醇直接代谢为粪固醇（coprostanol）。尽管努力阐明肠道微生物的胆固醇代谢如何影响人类血清胆固醇水平已有100多年的历史，但是由于对肠道微生物，基因和粪固醇形成的相关酶的了解有限，因此对于这种连接的机制的理解仍然有限。

2020年6月，美国麻省理工学院、哈佛大学、波士顿大学等单位的相关研究人员在《Cell Host & Microbe》上发表了题为“Cholesterol Metabolism by Uncultured Human Gut Bacteria Influences Host Cholesterol Level”的研究论文，鉴定了未经培养的宏基因组细菌编码的微生物胆固醇脱氢酶，揭示了肠道细菌代谢在调节宿主胆固醇水平中的作用，为针对微生物群的干预措施奠定了基础。

研究人员首先在人类肠道微生物群中寻找可能的肠道微生物和酶，它们负责将胆固醇转化为粪固醇。为此，研究人员采用了一个三层的多学科分析，包括（1）整合大型人类粪便微生物组和代谢组数据集，（2）挖掘先前提出的产粪固醇微生物的基因组，（3）利用生物化学知识优先选择具有代谢胆固醇所需催化能力的酶。最终，全基因组搜索结合代谢组学、基因组学和酶引导的生物信息学，将6百万个微生物组基因提炼成4个蛋白质簇，优先进行实验验证（图2）。

图2. 对宏基因组、代谢组、分离基因组和酶功能的综合分析揭示了参与人体肠道微生物胆固醇代谢的候选细菌基因

接着，研究人员探究了肠道微生物胆固醇脱氢酶的生化特性。发现来自E.coprostanoligenes和与系统发育相关的人类相关细菌未鉴定的3β-羟基类固醇脱氢酶将胆固醇氧化为胆甾烯酮（cholestenone）。将其命名为ECOP170 ismA，表明它的底物以及它在胆固醇形成粪固醇过程中的作用阶段（图3）。

图3.来自E.coprostanoligenes和与系统发育相关的人类相关细菌未鉴定的3β-羟基类固醇脱氢酶将胆固醇氧化为胆甾烯酮

接着，研究人员使用MSPminer将组装的人类肠道元基因组分类为宏基因组物种（MSP），并在这些物种中搜索25种ismA基因，证实了这些胆固醇代谢的人类肠道细菌以前没有被表征过。随后使用一组单拷贝标记基因评估了所有检测到的MSP与已知微生物分离物的系统发育关系，发现这种肠道微生物胆固醇脱氢酶由与梭菌属IV簇有关的大量但未培养细菌编码。为了了解IsmA编码物种在人类肠道中的分布，研究人员将元基因组数据集与非冗余基因目录进行了严格的比对，以计算每个数据集中单个物种的相对丰度。结果表明，IsmA编码细菌是人类肠道微生物群中普遍存在的组成部分，在那里它们将胆固醇转化为粪固醇（图4）。

图4. 编码胆固醇脱氢酶的肠道细菌是梭菌属IV簇的未培养成员，在不同地域的人群中普遍存在

完成对IsmA编码细菌的普查后，研究人员评估了这些细菌在复杂微生物群落中的存在与体内粪固醇含量的相关程度，以及对粪便胆固醇水平和其它途径中间产物水平的影响。结果发现。IsmA编码细菌的存在与较低的粪便胆固醇以及粪便中胆甾烯酮和粪固醇水平升高有关。在某些人体内，这种途径有可能将大部分肠道胆固醇转化为粪固醇（图5）。

图5. 粪便中粪固醇的形成与肠道微生物群中胆固醇脱氢酶的存在有关

因为编码IsmA的细菌与人类粪便样本中的粪固醇形成和粪便胆固醇水平降低都高度相关，研究人员最后探究了这些形成粪固醇的细菌是否与人群中血脂水平的变化有关。将微生物群中含有IsmA编码细菌的受试者被归类为编码者，而那些没有这些细菌的受试者则被视为非编码者。荟萃分析研究发现，虽然对低密底脂蛋白（LDL-C）或高密度脂蛋白（HDL-C）均未观察到统计学上显着的影响，但观察到总胆固醇（TC）的集合差异。且编码IsmA的细菌的作用大小略大于脂质相关宿主基因。由于这些IsmA编码细菌的存在与血清总胆固醇的生物学意义降低显着相关，表明人肠道菌群的胆固醇代谢会降低宿主胆固醇水平（图6）。

图6. 荟萃分析显示总胆固醇水平与心血管病患者的IsmA基因编码状态相关

总而言之，该研究通过结合大规模测序工作、无参考菌群分析和一系列基于体外生化和培养的分析，鉴定出粪固醇形成的第一步和最后一步的肠道细菌酶。揭示了在不同的人类群体中，大多数的粪固醇的形成可以归因于一个高度流行的，IsmA编码细菌物种的分支。这些物种以前没有特征，现在仍然没有培养，这可能解释了过去研究这种代谢途径的困难。这些细菌可以降低宿主血清胆固醇水平，其效果可与脂质体内稳态基因变异相媲美。这些微生物的胆固醇代谢可能在降低肠道和血清胆固醇浓度中起重要作用，直接影响人类健康。