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[转载]肠道微生物在天然产物生物转化中的潜在作用

已有 695 次阅读 2022-11-4 16:34 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

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什么是天然产物?

天然产物是指动物、植物、昆虫或微生物体内的组成成分或其代谢产物以及人和动物体内许多内源性的化学成分,是自然产生小分子。值得注意的是,天然产物来源中,植物来源占85%以上。

谷禾在这里主要介绍植物来源的天然产物,包括营养素药物。它们很容易与肠道微生物群相互作用,因为它们的成分复杂,在肠道中的停留时间长。通常,外源物质在小肠中的停留时间为1-6小时,在结肠中的停留时间为1-3天。特定的肠道微生物分解和转化天然产物,产生丰富的代谢物功能化合物,具有宿主本身无法合成的生理活性。

天然产物在食品药品、保健品领域均有运用。天然产物是极为重要的新药来源。近年来临床应用的药物,三分之二左右源自天然产物、天然产物衍生物以及天然的生物大分子,几乎涵盖了疾病治疗的各个方面。这在防治癌症传染类疾病领域中的表现尤为明显。

天然产物在临床上得到了广泛的应用,其特点是多组分、多靶点、药效学物质多、作用机理复杂、生理活性多样

对于口服天然产物,肠道菌群与临床疗效密切相关,但这种关系尚不明朗。肠道微生物在酶系统多样性引起的天然产物的转化和利用中起着重要作用。黄酮类化合物、生物碱、木酚素和酚类等有效成分不能通过人体消化酶直接代谢,但可以通过肠道微生物产生的酶转化,然后加以利用。因此,重点是通过肠道微生物群进行天然产物的代谢

本文介绍了肠道微生物群及其对天然产物各组分生物转化的影响的研究,并强调了所涉及的常见菌群反应类型药理作用和研究方法。为临床疾病防治中的应用提供理论支持,以及日常的选择健康的药物提供一定的参考,并为基于肠道生物转化的天然产物研究提供新思路。

基于肠道微生物的天然产物的生物转化和代谢

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Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022



01
天然产物转化中的关键肠道菌群


★人体肠道中的微生物

肠道微生物群由1000-1250种细菌组成,这些细菌以各种形式与人类相互作用,例如共生和寄生,这种相互作用通过微生物代谢物作为信号分子极大地影响人类健康

肠道微生物构成了一个动态多样化的微生态系统,这是抵抗致病细菌的天然屏障。肠道微生物具有丰富的酶系统,包括葡萄糖苷酶,还原酶,裂解酶,转移酶等,并大大扩展了人体内的代谢反应池。

✦肠道菌群影响口服给药的效果

口服给药是药物递送的首选途径,口服药物占市场最畅销药物的大部分。近年来,肠道微生物群对天然产物口服给药稳定性的影响受到广泛关注。

肠道具有丰富的细菌,有助于正常的消化功能,其中健康受试者中约98%的肠道微生物可分为四个门,厚壁菌门(Firmicutes)拟杆菌门(Bacteroidetes)变形菌门(Proteobacteria)放线菌门(Actinobacteria)

一些肠道微生物如大肠杆菌,双歧杆菌,真杆菌,乳酸杆菌,拟杆菌和链球菌参与天然产物的生物转化,其部分代谢物有利于肠道吸收并发挥显著的药理作用

关键肠道微生物对天然产物的生物转化

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Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022


大肠杆菌

大肠杆菌(Escherichia coli,又叫大肠埃希氏菌,是一种革兰氏阴性,无孢子,兼性厌氧细菌,主要栖息在脊椎动物的肠道中。

✦水解黄芩苷而具有抗炎抗氧化作用

部分大肠杆菌可以产生糖苷酶参与外源物质的转化,从而产生其有益作用。例如,E.coli HGU-3产生β-葡萄糖醛酸酶,水解黄芩苷中的糖苷键以产生黄芩素

在相同剂量下,黄芩素比黄芩蒿素更有效地抑制组胺诱导的抓挠行为,并通过抑制Nrf2-ARE和NF-κB信号通路而具有抗炎抗氧化作用。

✦在脂肪肝变性中有治疗益处

一些大肠杆菌菌株具有较高姜黄素转化活性E.coli DH10B的高表达NADPH依赖性姜黄素/二氢姜黄素还原酶(CurA)将姜黄素还原为二氢姜黄素(DHC)和四氢姜黄素(THC),其全基因组序列已经确定。

NADPH是一种辅酶,叫还原型辅酶Ⅱ,学名烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,在很多生物体内的化学反应中起递氢体的作用,具有重要的意义

二氢姜黄素和四氢姜黄素通过调节SREBP-1C和PPARα的mRNA和蛋白质表达水平来降低细胞中的甘油三酯水平,并以依赖性方式衰减肝脏脂肪生成;二氢姜黄素和四氢姜黄素在肝脂肪变性中比姜黄素具有新的治疗益处

✦水解肉桂酸后有抗氧化和抗癌特性

E.coli Nu, E.coli MCE.coli WC-1具有肉桂酰酯酶活性,可通过水解共轭羟基肉桂酸和游离羟基肉桂酸酯释放羟肉桂酸,在体外和体内均显示出抗氧化抗癌特性。

目前,对大肠杆菌的遗传和生化特征的良好理解可能有助于体外合成具有各种健康活性的天然产物衍生物。


双歧杆菌

双歧杆菌(Bifidobacterium是属于放线菌门的广泛而丰富的属,是人类肠道微生物群的首批定植者之一。人类肠道中最常见的双歧杆菌包括青春期双歧杆菌,B.angulatum, B.bifidum, B. breve, B.catenulatum, B.dentium, B.longum, B.pseudocatenulatumB.pseudolongum,占成人微生物组的10%,它们与宿主健康有关

✦预防急性肝损伤

某些种类的双歧杆菌可以通过表达阿魏酰酯酶产生酚酸。例如,动物双歧杆菌的阿魏酰酯酶可以将绿原酸(CHA)水解成咖啡酸(CAA)。咖啡酸可以通过增加Nrf2转录来预防对乙酰氨基酚诱导的小鼠急性肝损伤。

✦调节胆汁酸和降低胆固醇

部分双歧杆菌的参与促进了黄烷酮,糖苷和皂苷在肠道中的代谢B.longum R0175中的β-葡萄糖苷酶和去甲基化酶通过环裂解和脱甲基作用促进3-(3′-羟基苯基)丙酸和3-苯丙酸的产生。

B.longum SBT2928水解六种主要的人类和两种动物胆汁盐。因此,双歧杆菌可以调节胆汁酸代谢并降低体内胆固醇水平。

✦抗肿瘤和提高免疫

此外,B.breve ATCC 15700产生β-葡萄糖苷酶,在人参皂苷Rd的C-3和C-20位置裂解糖苷,生成脱糖基化的人参皂苷

人参皂苷主要存在于人参马铃薯药材中

人参皂甙的作用和功能是抑制肿瘤细胞的生长,诱导肿瘤细胞死亡,研究肿瘤的活性功能,肿瘤的异常逆行分化,提高人体免疫功能

这些天然产物具有潜在的益处,代谢特征使双歧杆菌成为共生发展的主要候选者。


真杆菌

真杆菌(Eubacterium)菌株的属是革兰氏阳性菌,它是人类肠道微生物群的核心属之一,并显示出在人类肠道的广泛定植。

一些真杆菌产生糖苷酶,还原酶等,并参与外源性物质的代谢

✦抗炎抗氧化

E. ramulus是研究最广泛的类黄酮降解肠道细菌之一,它在人体肠道中很普遍。广泛存在于人体肠道中。来自E. ramulus的查尔酮异构酶和黄烷酮/黄烷醇裂解还原酶降解某些类黄酮产生查尔酮二氢查尔酮

二氢查尔酮及其代谢物具有抗炎抗氧化作用,可以下调促炎细胞因子的分泌,并挽救脂多糖诱导的氧化磷酸化。

✦降解黄酮类化合物

研究了E.ramulus strain wK1对槲皮素和木犀草素的降解,发现静止细胞和酶制剂通过2,3位双键的还原和随后的环分裂将这些黄酮转化为3,4-二羟基苯基乙酸和3-(3,4-二羟基苯基)丙酸。

来自E.ramulus strain wK1的根皮素水解酶将邻近根皮素芳香A环的C-C键水解为3-(4-羟基苯基)丙酸和间苯三酚。

E.cellulosolvens ATCC 43171T可通过释放的葡萄糖部分的发酵促进类黄酮和葡萄糖苷的去糖基化。

注意:葡萄糖苷的去糖化仅由细菌酶催化。

✦预防气道过敏性炎症

Eubacterium L-8将甘草酸(GL)水解为18β-甘草次酸(18β-GA)。18β-甘草次酸通过抑制NF-κB磷酸化和增强Nrf2/HO-1通路来预防气道过敏性炎症。

NF-kB——核因子κB,参与细胞对外界刺激的响应,在细胞的炎症反应免疫应答等过程中起到关键性作用

Nrf2/HO-1信号通路已成为细胞抗氧化应激的主要防御机制之一

这些代谢转化体现从真杆菌中获得的各种益处。然而,还需要进一步的体内研究,以最大限度地发挥真杆菌属的潜在益处。


乳杆菌

乳酸菌属(Lactobacillus)属于厚壁菌门,可以平衡微生物群落并保护胃肠粘膜。一些乳杆菌属富含代谢酶,如α-鼠李糖酶,单宁酶,没食子酸酯脱羧酶等,它们转化外源性物质

✦抗炎、抗氧化作用

L. rhamnosus NCTC 10302具有β-葡糖苷酶和α-鼠李糖苷酶活性,通过水解,环裂变和脱氢将橙皮素7-O-葡萄糖苷和柚皮素-7-O-芸香糖苷转化为各自的糖苷元和3-(苯基)丙酸。

L. plantarum表达单宁酶水解没食子酸酯,具有短脂肪醇取代基的原儿茶酸酯和复杂的没食子单宁以产生没食子酸。没食子酸通过抑制MAPK/NF-κB途径并激活Akt/AMPK/ Nrf2途径,在脂多糖诱导的炎症氧化应激中起保护作用

MAPK是信号从细胞表面传导到细胞核内部的重要传递者。

Akt,蛋白激酶B,又称PKB或Rac,在细胞存活凋亡中起重要作用

✦预防代谢紊乱

观察到,没食子酸邻苯三酚是由L.plantarum WCFS1中没食子甘氨酸代谢酶降解没食子甘肽而产生的。这项研究意味着益生元-益生菌相互作用在预防饮食诱导的代谢紊乱方面的潜在作用。

✦改善骨质疏松

具有大豆苷元还原酶活性的Lactobacillus sp. Niu-O16。二氢大豆苷元抑制NF-κB活化和MAPK磷酸化,从而改善骨质疏松症。

L.caseiL.plantarumL.acidophilus影响白藜芦醇苷到白藜芦醇的去糖基化。这种转化对于提高白藜芦醇苷的生物利用度生物活性非常重要。来自L.reuteriL.helveticusL.fermentum的阿魏酰酯酶水解绿原酸以释放咖啡酸。

这些发现为乳杆菌在促进健康的制药和食品应用中的作用开辟了新的视角。然而,潜在的转化机制值得进一步研究。


拟杆菌

拟杆菌属(Bacteroides)的成员是革兰氏阴性专性厌氧菌,占结肠中细菌总数的25%,在人类肠道细菌组中起着多种作用。在临床中经常检测到拟杆菌物种,例如脆弱拟杆菌,B.distasonisB.ovatusB.thetaiotaomicron

✦抑制炎症反应

拟杆菌属拥有一系列水解酶,并通过转化外来物质参与与其微生物邻居的物种间关联。体外共孵育实验表明,某些拟杆菌物种参与类黄酮的生物转化

Bacteroides sp. 45表达α-L-鼠李糖苷酶和β-芦丁糖苷酶,用于将芦丁水解成槲皮素3-O-葡萄糖苷,槲皮素和白花青素。

槲皮素3-O-葡萄糖苷比其他形式的槲皮素吸收得更好,并且可以通过抑制NF-κB和MAPK信号通路来抑制结肠炎小鼠的炎症反应

Bacteroides sp. 54将槲皮苷代谢为羟基槲皮素去甲基槲皮素。槲皮苷也被α-L-鼠李糖苷酶降解为槲皮素,并通过Bacteroides sp.45进行进一步的环裂解以产生3,4-二羟基苯甲酸。

β-葡萄糖醛酸酶由拟杆菌J-37表达,将甘草酸代谢为18β-甘草次酸。

天然产物在拟杆菌作用下进行生物转化,产生具有不同功能活性的代谢物。了解人体内天然产物的整个过程以评估其对人体健康的影响是很重要的。


链球菌

链球菌属(Streptococcus)是革兰氏阳性菌,呈球形或卵形,通常成链排列或成对排列,广泛存在于人类粪便鼻咽中。

宏转录组学分析表明,磷酸转移酶系统主要由链球菌表达,这表明这些细菌是小肠中可用碳水化合物的主要利用者

✦抗癌、抗过敏作用

Streptococcus LJ-22表达β-葡萄糖醛酸酶将甘草酸代谢为18β-甘草次酸-3-O-β-D-葡萄糖醛酸(GAMG)。GAMG对脂多糖诱导的RAW264.7细胞具有抗过敏活性

甘草酸和甘草次酸均有一定的防癌抗癌作用。甘草次酸可抑制原癌细胞的信息传递和基因表达.甘草酸对多种恶性肿瘤均有抑制作用。甘草次酸还具有抗病毒感染的作用,对致癌性的病毒如肝炎病毒,EB病毒及艾滋病毒的感染均有抑制作用。

此外,单宁酸被Streptococcus gallolyticus subsp.Gallolyticus(SGG)的单宁酶降解以产生邻苯三酚。SGG可能通过消除单宁酸对肿瘤细胞的毒性来促进结直肠癌的发展。因此,有必要进行进一步的体内研究,以确定消除这些单宁酸降解微生物是否可以支持结直肠癌的有效治疗。

✦降低血压,抗氧化

S.thermophilus GIM 1.321很高β-葡萄糖苷酶生产能力,用于将果实花青素降解为绿原酸,咖啡酸和阿魏酸。

CAA和CHA(10/15毫克/千克/天)的施用可以降低血压并发挥抗氧化作用。

链球菌菌株可能是肠道中的共生、致病和机会性病原体,需要更多关于其对人类健康影响的信息。更好地了解链球菌如何代谢天然产物,可以调节肠道微生物组以提高治疗效果


经黏液真杆菌属

经黏液真杆菌(Blautia)属物种严格无氧,不可移动,通常为球形或椭圆形,广泛存在于哺乳动物的肠道和粪便中。越来越多的证据表明,经黏液真杆菌的益生菌特性对天然产物的生物转化有影响

✦影响生物转化

在类黄酮生物转化过程中,Blautia催化的反应包括去甲基化,去糖基化以及环裂解,其可能被相应的酶催化,例如O-糖苷酶β-葡萄糖苷酶

研究表明,Blautia sp. MRG-PMF1菌株分别将5,7-二甲氧基黄酮和5,7,4-三甲氧基黄酮转化为生物活性白杨素和芹菜素,对芳基甲基醚官能团具有水解能力Blautia sp. MRG-PMF1还具有去糖基化活性,并且发现各种异黄酮,黄酮和黄酮被代谢成相应的糖苷元。

✦去甲基产物具有抗炎、抗癌、抗氧化能力

Blautia sp. MRG-PMF1在菌株进一步代谢具有雌激素作用的去甲基香菜素。该菌株还可以催化姜黄素以产生具有抗炎抗癌特性的去甲氧基姜黄素

此外,Blautia sp. AUH-JLD56能够单独生物转化牛蒡子苷或牛蒡子苷元,制成具有更好抗氧化能力的去甲基化产物。

最近,关于Blautia对草本植物和功能性食品的生物转化代谢研究越来越多。探索Blautia的生物转化对于开发新的和生物活性代谢物具有重要意义



02
天然产物的微生物代谢


复杂的微生物酶催化肠道中天然产物的代谢,产生有利于宿主利用/排泄的亲脂性和低分子量代谢物。与人类遗传学不同,肠道微生物组的特征是可改变的,使其成为优化治疗的潜在治疗靶点。

口服天然产品进入消化道后,首先会接触大量肠道微生物及其产生的活性酶。因此,天然产物的肠道生物转化可能发生在通过肝脏的第一次传递效应之前,也可以被运输到肝脏进行修饰/结合,然后排泄到肠道,与肠道微生物反应形成一系列代谢产物

因此,与健康或疾病相关的特定菌株特定代谢途径特定酶的组合对于确定肠道微生物对宿主的影响非常重要。


水解

✦水解提高生物活性和生物利用度

某些天然产物具有高分子量低脂溶性,并且它们难以在肠道中被人体吸收并且具有低生物利用度。通过肠道微生物介导的水解,它们的物理性质发生了变化,它们的生物活性和生物利用度大大提高

大多数糖苷具有低活性,被认为是“天然前体药物”。在与肠道微生物相互作用后,糖苷的糖基被去除,然后,糖苷部分被肠细胞吸收以发挥生理作用。水解反应是进一步转化所必需的,产物(例如糖)参与促进肠道微生物的生长和存活。

肠道微生物对天然产物的水解反应

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✦类黄酮

类黄酮是天然酚类化合物,大量存在于水果蔬菜中。肠道微生物可能是黄酮类化合物(糖苷形式)功效的部分原因,由于存在水溶性糖成分,其生物利用度较低

具有3羟基黄酮碱和平面环体系的黄烷醇构成了一类重要的黄酮类化合物。异鼠李素-3-O-新橙皮苷首先被Escherichia sp.23脱糖基化为异鼠李苷-3-O--葡糖苷,去糖基化成苷元异鼠李甙。

•肠道酶代谢比肠道微生物更快

肠道微生物和衍生酶共同控制通过体外测定确定的淫羊藿类黄酮的代谢。在目前的研究中,肠道酶代谢类黄酮的速度比肠道微生物更快

来自Bacteroides thetaiotaomicron VPI-5482的α-L-鼠李糖苷酶可以水解淫羊藿定C的α-1,2糖苷键以产生芸香苷。

芸香苷,又叫芦丁。具有抗炎抗氧化抗过敏抗病毒等功效。

•肠道酶在水解中起着重要作用

E. ramulusClostridium saccharogumia将花青素-氰苷3-葡萄糖苷转化为氰苷。人类肠道酶如β-葡糖苷酶在汉黄芩苷水解成汉黄苷素中起着关键作用

茶氨酸菌素A是红茶中发现的一种生物活性儿茶素二聚体,通过人类粪便微生物群脱乙酰产生茶氨酸霉素C。

•空间位阻会限制酶降解

观察了黄烷醇的代谢差异,结果表明,在肠道微生物发酵过程中,空间位阻可能限制细菌酶降解部分黄烷醇环。

在肠道微生物的作用下,许多其他类黄酮也会发生水解反应。值得注意的是,考虑到类黄酮的结构差异,肠道微生物对类黄酮的降解程度差异很大,从而影响其生物可利用性。需要进一步研究肠道代谢在类黄酮生物利用度吸收中的作用,以及可能的细菌类黄酮相互作用活性

✦萜类化合物

萜类化合物是具有抗癌抗炎神经保护作用的最大一类天然产物。部分萜类化合物也可被肠道微生物水解。

萜类化合物广泛存在于自然界,是构成某些植物的香精、树脂、色素等的主要成分。如玫瑰油、桉叶油、松脂等都含有多种萜类化合物。另外,某些动物的激素维生素等也属于萜类化合物。

肠道微生物也可以水解部分萜类化合物。京尼平苷在Eubacterium sp. A-44表达的β-葡萄糖苷酶的作用下产生京尼平。芍药苷在β-葡萄糖苷酶的作用下转化为PM-I,该酶由L. brevis脆弱拟杆菌(B. fragilis表达。通过与大鼠厌氧肠道微生物群孵育,芍药苷也被脱糖并脱苯基为小分子量的白花苷和酰基白花苷。

•肠道微生物中的酶促进水解作用

研究证明,几种具有酯酶的双歧杆菌物种可以在体外将白芍苷水解为苯甲酸。体外研究表明积雪草苷被糖苷键水解酶逐渐去糖基化,并产生相应的苷元。柴胡皂苷B1在β-葡萄糖苷酶和β-D-聚焦酶的作用下逐渐水解为原柴胡皂素和柴胡皂甙A,由Eubacterium sp. A-44表达。

除上述化合物外,萜类人参皂苷Rh2、阿迪普西洛苷I、罗汉果苷III和具栖冬青苷也可在肠道微生物的作用下发生水解反应

肠道微生物在萜类化合物代谢中起着重要作用,其代谢产物对肠道微生物组和人体健康的影响有待进一步研究。

✦其他化合物

具有极低生物利用度的尿石素只有在来自Gordonibacter urolithinfaciensGordonibacter pamelaeaeEllagibacter isourolithinifaciens的鞣酸酶作用下水解成鞣花酸和尿石等衍生物时才能发挥药理作用

尿石素——存在于水果坚果中的一类化合物鞣花单宁的天然代谢产物

从大黄中提取的蒽醌糖苷被肠道微生物水解为蒽醌苷元。Sennoside A是大黄提取物的主要成分,通过Bifidobacterium sp. strain SEN的β-葡萄糖苷酶代谢为大黄蒽酮。

大黄蒽酮具有泻下攻积、清热泻火、解毒、活血祛瘀、利胆退黄等功效。

在肠道微生物表达的羧酸酯酶(CE)的作用下,二酯二萜生物碱(DDAs,如乌头碱)水解C-8和C-14的酯键,产生毒性较小的单酯二萜生物碱。生物碱东莨菪碱、类固醇化合物白头翁皂苷D和半胱氨酸在肠道微生物的作用下也会发生水解反应

小结

水解反应是肠道微生物代谢天然产物的重要步骤,是生物活性表达和进一步生物转化所必需的。

应重点关注参与该反应的特定微生物,以充分了解天然产物的最终命运及其对人体健康的影响,并为个性化治疗提供依据。


甲基化和去甲基化

肠道微生物可以通过亲核取代反应表达转移酶并在两种底物之间移动官能团。

肠道微生物将甲基添加到外源物质中需要化学活化的辅底物,如乙酰辅酶A、三磷酸腺苷或腺苷甲硫氨酸,而去甲基化需要可以进行亲核催化的辅因子。

甲基化修饰可以优化天然产物的生理活性,去甲基化可以释放极性基团以进一步结合和排出体外,并为肠道微生物的生长提供碳源

下图显示了肠道微生物作用下天然产物的甲基化去甲基化以及带来的影响。

肠道微生物对天然产物的甲基化和去甲基化

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✦类黄酮甲基化后具有抗癌活性

类黄酮甲基化修饰可以在类黄酮结构中的C-2,C-3,C-4,C-5,C-6,C-7和C-8位置进行,甲基化类黄酮的生物利用度大大提高

甲基化类黄酮具有显著的抗癌活性和对肝脏代谢的抵抗力。在大鼠口服芦丁后,在粪便样品中检测到许多甲基化代谢物,如甲基芦丁,甲基异槲皮素和甲基槲皮素硫酸盐。

作用过程

甲基化的异黄酮类化合物在E.limosum ATCC 8486的作用下进行去甲基化以产生大豆苷元和染料木黄酮。异氧杂环丁酚通过苌香产生去甲基化产物8-异辛基柚皮素。橙皮苷,5,7-二甲氧基黄酮,黄腐酚和5,7,4′-三甲氧基黄酮也可以在肠道微生物的作用下进行去甲基化反应。

✦生物碱具有抗癌性和抗病毒活性

生物碱是含氮化合物,由海洋和陆地生物生物合成,它们具有抗癌性抗病毒活性

绝大多数生物碱分布在高等植物,尤其是双子叶植物中,如毛茛科、罂粟科、防己科、茄科、夹竹桃科、芸香科、豆科、小檗科等。

在肠道微生物表达的酶的作用下,苦木中的主要生物碱成分准碳质酮被甲基化为准碳质碱丁基。异喹啉生物碱巴马汀通过体外厌氧培养产生去甲基产物,如哥伦比亚胺、药根碱、去甲基小檗碱和去甲基小蘖碱。通过离子阱电喷雾电离串联质谱法证明了肠道微生物对乌头碱的去甲基作用,并产生了去甲基乌头碱。

✦木酚素可以抗炎防心血管疾病

膳食木酚素是植物雌激素,主要存在于种子坚果,豆类和蔬菜中。

木酚素在微生物作用下的一些转化

牛蒡苷可由Eubacterium sp. ARC-2菌株去甲基化为二羟基内酯和其他产物。从人类粪便细菌中分离出一种名为Lautia sp. AUH-JLD56的细菌,该物种可以有效地将牛蒡苷或牛蒡苷元转化为去甲基化代谢物3'-去甲基牛蒡苷(3′-DMAG)。

Secoisoolaricinol是亚麻籽中最常见的木脂素之一,可在Blautia productaGordonibacterLactonifactor longoviformis的存在下去甲基,形成肠内酯和肠二醇。

芝麻素通过甲基化、去甲基化和肠道微生物的其他反应代谢为哺乳动物木脂素内酯和肠二醇。罗汉松树脂酚和连翘脂素也可以去甲基化以产生内酯。水飞蓟宾A和B被人类粪便微生物群去甲基为去甲基水飞蓟宾A和脱甲基水飞蓟宾B。

✦其他化合物

多酚化合物姜黄素被Lautia sp. MRG-PMF1去甲基化,以产生代谢物去甲基姜黄素(DMC)和双去甲基姜黄素(bDMC)。二氢异铁酸的去甲基化产物,如二氢咖啡酸,也在粪便代谢物中获得。

研究发现,甲基化反应发生在甘草皂苷22β-乙酰氧基甘草酸糖链的内部和外部葡萄糖醛酸残基处,产生22β-乙氧基甘草酸甲酯。

丹参素,萜类化合物,二苯乙烯类化合物和类固醇化合物在肠道微生物的作用下经历甲基化去甲基化

小结

甲基化和去甲基化反应是肠道微生物代谢的重要途径。甲基化能引起染色质结构、稳定性及蛋白质相互作用方式的改变,从而控制基因表达。去甲基化则诱导了基因的重新活化表达

然而,介导这种反应的基因/酶尚未完全确定,还需要进一步的实验研究。


氧化还原反应

肠道微生物可以表达许多氧化还原酶并通过调节各种官能团转化天然化合物,如烯烃、羧酸衍生物、硝基、氧化物和a,b不饱和羧酸衍生物,这些官能团影响体内天然产物的活性

下图显示了肠道微生物作用下天然产物的氧化还原反应。

肠道微生物对天然产物的还原和氧化反应

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Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022

✦类黄酮

黄酮类化合物大豆苷元在Clostridium sp. strain HGH6Lactobacillus. sp. Niu-O16的作用下还原为二氢大豆苷元和进一步的四氢大豆苷元。还原产物二氢染料木黄酮是由染料木黄酮在人类粪便细菌的作用下产生的。

通过分析,在厌氧条件下与槲皮素一起孵育,在大鼠肠液培养液中鉴定出脱氧代谢物山奈酚和双键氢化还原产物西叶素等化合物。

Flavonifractor plautii ATCC 49531中发现了黄酮还原酶,该酶特异性催化黄酮/黄烷醇C环的C2-C3双结合的氢化作用,并在黄酮类化合物整个生物降解途径的初始步骤中起作用。

去甲黄腐酚,一种查尔酮化合物,被分枝杆菌还原为去甲-α,β-二氢黄腐酚

•药理作用

黄酮类化合物分布广泛,具有多种生物活性

1.黄酮类化合物具有抗自由基抗氧化作用;2.防治心血管疾病方面均具有良好的效果;3.抑菌抗免疫作用;4.对动物激素的调节作用

✦生物碱

•小檗碱具有杀菌消炎的功效

由肠道微生物产生的硝酸还原酶催化生物碱中的醚和配位键反应。小檗碱(BBR)作为黄连的主要成分,可以通过肠道微生物表达的硝基还原酶还原为二氢小檗碱,这种还原产物具有很高的极性

二氢小檗碱可以在肠道中被吸收,然后被氧化成原型小檗碱进入血液。二氢小檗碱在肠道中的吸收率是小檗碱的五倍。同时还发现,肠道微生物可以通过氧化将小檗碱转化为氧小檗碱。

小檗碱的功效和作用主要就是起到杀菌消炎的作用,抗菌谱比较广,主要用于治疗各种肠道感染菌痢等。

•其他生物碱产物

血红素是小檗碱的一种新代谢产物,可能是一种值得探索的生物活性剂。黄连碱是一种天然的原小檗碱生物碱,具有与小檗碱相同的母体结构。口服黄连后,C-O键打开并断裂,随后发生还原反应,生成氢化小檗碱。阿南酰胺被小鼠和人类肠道微生物群还原为二氢阿南酰胺,生物利用度更高

✦苯丙酸

•咖啡酸具有抑菌、抗病毒作用

咖啡酸(CAA)作为食品和饮料中的主要膳食多酚,在酯化后很容易进入结肠并与肠道微生物群发生反应。

苯丙酸通过C4双键还原脱氢作用转化为3-羟基苯基丙酸,然后通过体外肠道微生物的β氧化迅速转化为3-苯基丙酸。苯丙酸也可以脱羟基化为间香豆酸或氢化为二氢咖啡酸。

咖啡酸片具有较普遍的抑菌效果,可用于抑菌、抗病毒。除此之外,还具有中枢兴奋解毒凝血等作用。

丹参素是丹参的主要单体酚酸,通过肠道微生物群进行脱氢和脱氧,生成3-苯基-2-羟基丙酸、3-(3,4-二羟基苯基)-2-丙烯酸(咖啡酸)和3-(3,4-二羟基苯)丙酸。

✦其他化合物

甘草次酸通过盲肠中的Ruminococcus sp. po1-3的3β-羟基类固醇脱氢酶生成3-氧代甘草次甲酸。

•通便作用

番泻甙是一类天然蒽醌衍生物和二聚糖苷,首先被β-葡萄糖苷酶水解生成番泻甙-8-O-单糖苷,然后在体内被链球菌还原为具有通便作用大黄蒽醌

二萜类白藜芦醇被Slackia equolifaciensEggerthella lentaATCC 4305还原为二氢白藜芦醇。

此外,二酮姜黄,类固醇化合物地高辛和其他化合物马兜铃酸也可以在肠道微生物的存在下减少。肠道微生物黄酮还原酶硝基还原酶具有特殊的催化选择性,填补了肠道微生物转化途径的关键空白。

然而,介导肠道微生物减少的特定基因和酶尚未完全确定。


其他反应

肠道微生物对天然产物的其他反应

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Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022


如图中所示,肠道微生物也通过环分裂、硫化、芳构化和其他反应转化天然产物

龙胆苦苷是一种天然的环烯醚萜苷,可通过肠道微生物β-葡萄糖苷酶水解为龙胆醛,然后通过N-杂环反应水解为含氮化合物。

京尼平丙酮醇的部分开环导致肠道微生物形成二醛。奎宁酸可以在肠道微生物存在下芳香化为马尿酸

原花青素B2和A2与人类肠道微生物体外发酵,获得了主要的水解和环裂解代谢物,即苯甲酸、2-(3,4-二羟基苯基)乙酸和5-(3,4-二羟基苯)-γ-戊内酯。

口服木犀草素后,在大鼠粪便样品中检测到硫酸盐和氢还原代谢物。由肠道微生物促进的大豆苷元转化为雌马酚是另一个有趣的例子。

木犀草素,多以糖苷的形式存在于多种植物中,具有镇咳祛痰作用。

雌马酚的作用:1.抗氧化,雌马酚属于多酚类物质,可作为氢/电子受体,清除自由基;2. 免疫调控,雌马酚的免疫保护作用可能是有其抗氧化作用所介导的,涂抹雌马酚对皮肤免疫保护作用。

SesA是一种来自Sinomonas sp.no.22的芝麻素代谢酶,通过环裂解催化亚甲基从芝麻素或芝麻素单儿茶酚转移到四氢叶酸,产生芝麻素一儿茶酚或二儿茶酚和5,10-亚甲基四氢叶酸酯。

萜类化合物,类黄酮,苯酚生物碱和脂肪酸都可以在肠道微生物的作用下进行生物转化反应,产生活性代谢物

这些研究证明了各种肠道微生物组的巨大代谢潜力。天然产物的肠道微生物代谢及其在宿主健康中的作用应该是未来研究的重点。

小结

本节总结了来自单个反应的肠道微生物群介导的天然产物的生物转化

但是,观察到一些限制。首先,考虑到肠道微生物的复杂性和肠道微生物酶的多样性,天然产物在肠道中经历复杂的转变。单个反应只能描述一定的新陈代谢过程。可以通过激活/抑制这一过程来优化治疗

此外,考虑到肠道微生物含有各种潜在的多功能酶,可以预期肠道微生物会有更多的生物转化反应被天然产物所低估。

为了阐明肠道微生物代谢如何影响人类健康,研究人员应该将功能基因联系起来。

除了调节肠道微生物对天然产物的处置外,天然产物对肠道微生态学的调节作为潜在的功效机制很重要



03
肠道微生物转化的贡献


越来越多的肠道微生物群研究逐渐揭示了大多数天然产品的高药理作用低口服利用率之间的关系。大多数糖苷具有复杂的母体结构,很难被肠细胞吸收,从而限制了它们的组织特异性生物可及性。

这些化合物通过依赖于微生物/肠道微生物酶的降解反应转化为小分子代谢物/独特代谢物,从而对宿主产生广泛影响。肠道微生物还作用于膳食酚类物质,产生有助于宿主健康的功能代谢物。

促进治疗效果

✦增强抗肿瘤、抗炎、降脂作用

肠道微生物的生物转化促进了天然产物的治疗效果。人参皂苷对化合物K(CK)的典型代谢模型已被广泛报道,具有增强的抗肿瘤抗炎降脂作用

人参皂苷的生物转化和代谢物化合物k的功效

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Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022

1 --降脂

在20μM时,化合物K通过激活AMPK减少人肝细胞癌细胞中的肝脂堆积

2--抗癌

在50μM时,化合物K通过上调半胱天冬酶-3,半胱天冬酶-8,半胱天冬酶-9和环磷酸腺苷依赖性蛋白激酶来抑制胶质母细胞瘤细胞的生长

3--减弱炎症

化合物K通过自噬诱导和调节NF-κB、p38蛋白和JNK/MAPK信号来减轻巨噬细胞炎症和泡沫细胞形成。

✦姜黄素可以抑制炎症

姜黄素代谢物的生物利用度取决于微生物群依赖性。例如,去甲基姜黄素增加PPARγ表达,导致自噬和核转录因子κB抑制,随后抑制脂多糖诱导的炎症

PPARγ——是一种过氧化物酶体增殖物激活受体

MAPK——即AMP依赖的蛋白激酶,是生物能量代谢调节的关键分子

去甲基姜黄素通过抑制炎症因子的分泌和MAPK和NF-κB途径的激活来减轻体内和体外的炎症反应。由于在其原型苯环结构中不存在甲基,去甲基姜黄素的化学稳定性增加,从而解释了姜黄素的强大有益作用

姜黄素来源:姜黄素是从植物根茎中提取,主要来源于生姜,然后就是那些植物中,胡萝卜、番茄以及辣椒,咖喱,芥末中也含有一些姜黄素。

✦尿石素具有抗炎和神经保护等作用

值得注意的是,尿石素A(UA)是一种天然化合物,由肠道微生物从摄入的鞣花单宁和鞣花酸中产生,具有显著的抗炎神经保护作用。

在1μM时,尿石素A足以降低聚(I:C)诱导的RAW264.7细胞中肿瘤坏死因子和MCP-1的产生,并使TLR3/TRIF信号失活。尿石素A提高高脂饮食小鼠的全身胰岛素敏感性降低肝脏白细胞介素1β水平。

MCP-1,是一种由星形胶质细胞分泌的促进炎症蛋白质

Toll样受体3(TLR3)是TLR家族的成员,介导I型干扰素、促炎细胞因子趋化因子的转录诱导

尿石素A通过降低皮层和海马体中白细胞介素6、白细胞介素1β和肿瘤坏死因子的水平来改善小鼠的认知障碍,并抑制神经炎症

小结

这些研究强调了鉴定天然产物微生物代谢的重要性。此外,许多体外药理活性测量应与微生物代谢产物一起进行,微生物代谢产物实际上与体内的生化受体相互作用


降低毒性

肠道微生物的组成,结构,功能和代谢物已成为天然产物发挥有益作用降低毒性的潜在目标。

例如,肠道微生物可以通过羧基酯酶催化双酯型二萜生物碱的C-8和C-14的酯键水解,或催化C-8的酯交换以产生毒性较小的单酯二萜烯生物碱。

大肠杆菌的地高辛还原型菌株含有强心苷还原酶,它可以还原地高辛环上的α和β-不饱和内酯,并将其代谢为活性较低的二氢地高辛,从而抑制其可能的心脏毒性

地高辛,主要用于心脏类疾病的治疗,对心脏的作用表现为正性肌力作用,减慢心率抑制心脏传导

然而,这种能力是有限的,并且50%的地高辛可以通过肠道微生物转化而失活强心苷还原酶可能是地高辛失活的有效生物标志物,其表达可以被精氨酸抑制。

•饮食可能调节微生物代谢活动

饮食可以解释地高辛还原的个体间差异,并可能调节体内微生物代谢活动。相比之下,有毒化合物可以由肠道微生物产生。桦木素在来自肠道微生物的β-葡萄糖苷酶的作用下水解成致癌性重氮甲烷。

建议

应开发微生物肠道酶的小分子抑制剂,以在这个复杂的栖息地的特定转化中发挥调节作用。肠道微生物群转化的代谢物与前体物质之间的毒性差异值得进一步研究。

此外,过量的药物可能导致肠道微生物失衡不良反应,不同剂量的天然产物对肠道微生物新陈代谢的影响也需进一步研究。


生物转化的技术

考虑到肠道微生物可以增加宿主对药物或天然产物的复杂和可变反应,这一过程值得研究。

生物转化的方法

(1)肠液转化。转化产物的大规模制备可以通过肠液生物转化来实现;

(2)与宿主微生物群的样品一起孵育。原型药物和代谢物的类型和数量可以使用该方法检测。它具有准确表示个体的整个肠道微生物组的优点;

(3)代表性菌株的孵育。该方法具有高通量潜力,这对于大规模药物研究很有价值,并有助于有益代谢物的工业生产。

✦模型分析有利于认识微生物代谢

器官微生理系统,胃肠道类器官的各种预测/计算工具可能有助于提高我们对未来微生物代谢的理解。

此外,在动物模型中已经研究了天然产物代谢与肠道微生物之间的关系,其结果可用于研究代谢物的分布形式。无菌/抗生素处理的动物与传统动物进行了比较,以证明肠道微生物在天然产物代谢中的关键作用

这种方法的局限性在于人类和啮齿动物之间存在固有的胃肠道和微生物差异。在临床试验中从受试者收集的粪便进行详细微生物群代谢物分析可以全面反映天然产物在体内的代谢过程,并用于解释个体差异。

✦增加测序技术的应用

增加测序技术的应用,以研究微生物的转录活性代谢谱。通过使用单细胞法,可以表征肠道微生物的生理结构,以确定其代谢活性。

转录组测序技术(RNA-Seq)可以直接分析人体肠道中具有强代谢活性的微生物的基因表达谱。

单细胞方法,宏转录组学和宏基因组学的组合已被用于鉴定和表征肠道微生物群的活性亚群,并确定它们对天然产物的代谢反应。



04
结论与未来展望

肠道微生物群是编码各种代谢酶的基因库。大多数天然产物的生物活性潜在健康益处的激活极度依赖肠道微生物作为底物加工工厂。

了解微生物如何独特地调整天然产物以及这些代谢物对宿主健康的影响。已经得出以下结论:

(1)肠道微生物可以改变天然产物;

(2)天然产物可以调节肠道微生物组成和丰度;

(3)肠道微生物可以介导天然产物的多组分协同作用。

此外,肠道微生物的巨大可塑性个体间差异是值得注意的。因此,需要提高对肠道微生物对天然产物代谢的生理,化学和微生物贡献的理解,以帮助解释天然产物反应的个体差异,并为个性化治疗提供支持。

确认生物转化中极其参与的象征性功能及其物质基础将有助于探索天然产物肠道微生物群之间相互作用的治疗模式



主要参考文献

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本文转自:谷禾健康



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