摘要：近日，瑞德林科学家黄华博士、赵弘博士与华南师范大学张新帅课题组合作揭示了麦角硫因的肠道微生物代谢路径，相关研究成果近日在顶级学术期刊《美国化学学会会志》（JACS，影响因子14.4）发表。
导读
近日，瑞德林科学家黄华博士、赵弘博士与华南师范大学张新帅课题组合作揭示了麦角硫因的肠道微生物代谢路径，相关研究成果近日在顶级学术期刊《美国化学学会会志》（JACS，影响因子14.4）发表。
该文揭示了麦角硫因经肠道微生物的分解代谢路径；在代谢过程中，人体肠道菌(Blautia producta ATCC 27340)首先利用氨裂解酶(PF00221)将麦角硫因三甲胺裂解生成硫尿刊酸(Thiourocanate), 然后利用一种含Mo、[2Fe-2S]以及FAD三个辅因子组成的复合金属酶(Xanthine oxidoreductase, XOR)脱硫成尿刊酸（Urocanate, 一种L-组氨酸代谢物）；该研究为麦角硫因这种常见的膳食添加剂在人体内的作用机制研究提供了基础。
（注：JACS是美国化学学会的旗舰杂志，以其卓越的学术地位和深远的影响力，在化学综合性杂志中的地位首屈一指，被誉为化学界的“圣杯”。作为化学领域最王牌的期刊，JACS已经成为衡量科研单位研究实力和学术影响力的重要参考。）
麦角硫因是一种含硫酮结构的三甲基组氨基酸衍生物，可通过特异性转运蛋白(SLC22A4)进入细胞和线粒体内，是少数具有明确的特异性转运机制的物质[1]。虽然哺乳动物不能直接合成麦角硫因，但它们可以利用特定的转运蛋白从食物链中吸收并累积。有些食物如蘑菇、黑/红色的豆类中就含有较高浓度的麦角硫因，而人体多个组织器官中也有累积, 尤其是在红细胞、骨髓、肝脏和眼角膜等器官中含量较高；实验证实，人体能快速吸收外源摄入的麦角硫因以显著提升血液、血浆中的麦角硫因浓度[2]麦角硫因作为一种安全性高的强效抗氧化剂(6000倍于Vitamin E)[3]，早已被欧洲食品安全局(EFSA)以及美国食品药品监督管理局(FDA)认定为“普遍认为安全”(GRAS, GRN-000734), 现已广泛用于化妆品原料、膳食补充剂，甚至是婴幼儿、孕妇食品添加剂中[4]；此外，麦角硫因强大的活性氧清除能力以及脂质过氧化物抑制能力也让其在改善多种疾病如癌症、炎症、抑郁症等方面具有潜在应用[5]；在化妆品领域，麦角硫因能吸收与DNA相似波长范围内的紫外线从而保护皮肤中的DNA细胞免受损伤[6]。因此，麦角硫因以其独特的生物学功能和药理活性使其在医药、食品、保健品和化妆品等各行业都具有广阔的应用前景。为更深入解析并挖掘麦角硫因各生理功能及其潜在应用，关于麦角硫因在生物体内的合成代谢与分解代谢路径的研究具有重要意义。•麦角硫因生物合成代谢研究
麦角硫因的合成代谢研究得比较透彻，在其合成通路中，L-组氨酸首先被甲基转移酶EgtD (PF10017)甲基化生成L-三甲基组氨酸(TMH，Hercynine), 然后在不同微生物环境里利用不同的酶及硫供体进行加硫反应；因此，麦角硫因生物合成方式的差异性也主要体现在其上硫的不同方式上。迄今为止主要报道了三种不同的L-三甲基组氨酸硫化方式; 在有氧条件下, 耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)等好氧菌在O2条件下利用一种非卟啉二价亚铁(Mononuclear non-heme iron)酶EgtB(PF12867 & PF03781) 将L-半胱氨酸(L-Cysteine)或γ-谷氨酰基-半胱氨酸二肽（γ-Glu-Cys, 谷胱甘肽中的二肽成分）底物上的硫对接到Hercynine咪唑环上，最后通过裂解酶EgtE(PF00266)将之转化成麦角硫因（图I, Route I），该麦角硫因生物合成方式主要存在于需氧细菌和真菌中[7]；在无氧条件下，绝对厌氧的绿色硫细菌Chlorobium limicola能利用一种硫氰生成酶EanB(Rhodanese-like enzyme, PF00581)进行硫转移，而其硫供体是自然环境中存在的硫聚物（图I, Route II），该合成通路主要存在于厌氧细菌和古菌中, 这同时说明麦角硫因对于不依赖氧气的生命也很重要[8]; 在2022年，Seebeck课题组又在嗜热厌氧古菌Caldithrix abyssi中发现了一种Mo依赖型(Metallopterin-dependent)的双功能（N-端钨依赖性水合酶以及C-端半胱氨酸脱硫酶）麦角硫因合成酶MES (PF00384 & PF01568)，与上述EanB酶不同, MES以L-半胱氨酸作为硫供体（图I, Route III），该麦角硫因生物合成通路也主要分布在厌氧细菌和古菌中[9]。图I:已知报道的麦角硫因生物合成途径。好氧菌内氧气依赖型硫化酶途径(EgtB, Route I), 厌氧硫细菌硫氰生成酶途径(EanB, Route II),以及厌氧嗜热古菌Mo依赖型合成酶(MES, Route III)途径。
•麦角硫因分解代谢研究
近年来，麦角硫因分解代谢研究的关注度也在提升，多种微生物体内麦角硫因差异性分解代谢方式相继被揭示。整体上来看，麦角硫因分解代谢主要是围绕脱三甲胺(TMA)以及脱硫展开。麦角硫因被麦角硫因裂解酶ETL（PF00221, 与L-组氨酸裂解酶同家族）裂解生成三甲胺及对应的尿刊酸，但在脱硫方面具有很大的差异性；因此，与以上麦角硫因生物合成多样性类似，麦角硫因分解代谢的差异性也主要体现在其不同的脱硫方式上。2020年，日本告知大学(Kochi University)的Shinji Nagata教授课题组首次发现了一种硫尿刊酸 (Thiourocanic acid)脱硫酶ETL，从而开启了麦角硫因分解代谢的系统研究, 该脱硫酶属于一个未知功能酶家族DUF917(PF06032 & PF20906)[10]；第二年，瑞士巴塞尔大学Seebeck课题组首次披露了DUF917酶参与的第一条完整的麦角硫因分解通路（图II, Route I），该降解通路主要分布在土壤细菌中（变形菌门和后壁菌门）；这些土壤细菌没有利用麦角硫因的抗氧化性能（直接脱硫），它们的广泛存在降低了自然界土壤中麦角硫因的丰度，从而间接影响植物对麦角硫因的吸收以及食物链里麦角硫因的整体含量[11]此前，黄华博士与张新帅课题组合作，利用基因酶组学策略，发现麦角硫因在微生物中的氧化分解代谢路径，相关结果已于2022年发表在ACS Catalysis（影响因子：12.9）。麦角硫因在氧气、氧自由基或发挥抗氧化功能后被转化成麦角硫因亚磺酸盐(Egt-SO23H), 然后它们分别在金属依赖性麦角硫因亚磺酸脱硫酶ETSD(SSF51556)以及NADPH依赖型麦角硫因磺酸脱硫酶Sulfite lyase(PF02423)作用下脱次硫酸及亚硫酸（图II, Route II, Route III）；亚磺酸脱硫酶ETSD分解通路存在于放线菌中，该类菌既能合成麦角硫因也能分解麦角硫因，说明其体内复杂的硫利用方式[12]；而磺酸脱硫酶Sulfite lyase广泛分布在变形菌门等土壤细菌中，这间接表明麦角硫因及其磺酸盐在土壤中广泛存在[13]。此次研究揭示了麦角硫因在人肠道微生物中一种新的脱硫方式，肠道菌Blautia producta ATCC 27340体内黄嘌呤氧化还原酶(Xanthine oxidoreductase, XOR)成员能在厌氧条件下进行麦角硫因的还原脱硫（图II, Route IV）；该酶是由含Mo、[2Fe-2S]以及FAD三个辅因子的多结构域构成，具有未知复杂的电子传递方式，此次研究也为麦角硫因人体内代谢研究提供基础。
图II: 已知报道的麦角硫因分解代谢途径。DUF917参与的脱硫代谢(Route I), ETSD参与的脱亚磺酸代谢(Route II), Sulfite Lyase参与的脱磺酸基代谢(Route III)以及本次研究的XOR参与脱硫代谢(Route IV)。
以上自然界麦角硫因代谢研究显示，麦角硫因作为L-组氨酸的一类含硫衍生物，其合成代谢与分解代谢都与L-组氨酸代谢紧密相关，实现了从L-组氨酸来又回到L-组氨酸代谢中去。与此同时，与L-组氨酸结构相比较，麦角硫因分子独特性主要体现在氮杂环上的硫基上，因此其代谢差异性都围绕着上硫、脱硫展开（图III）。
图III: 麦角硫因代谢汇总，实线代表L-组氨酸的代谢，虚线代表着已知报道的麦角硫因代谢方式。
•本次研究内容-首次揭示麦角硫因肠道微生物分解代谢
本论文的研究延续了实验“酶组学”策略挖掘新酶及新代谢通路的思路，通过对麦角硫因裂解酶（ETL, PF00221, 现有41203个成员）所对应基因背景差异性的深度分析，最终判定人体肠道菌Blautia producta ATCC 27340体内的未知黄嘌呤氧化还原酶(XOR, Uniprot ID: A0A6P1YXV1, A0A6P1YYW0, A0A6P1YWH0)参与新的麦角硫因代谢；该XOR由三个连续基因编码，因此该酶由三个亚基构成：钼辅因子(Moco)结合域、铁硫簇[2Fe-2S]2+结合域以及黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)结合域，而已知报道的XOR酶功能主要是催化N-杂环和醛中多种sp2杂化碳的氧化羟基化（加氧）。实验室通过对该酶的厌氧表达、纯化及重构测试，最终确定该酶具有分解硫尿刊酸脱硫的功能（图IV）。此外，用麦角硫因对除B. producta ATCC 27340活体测试发现，该菌并不能有效利用麦角硫因作为氮源或碳源进行细胞生长，而是主要作为电子受体使用；当环境中麦角硫因较高情况下（浓度高于1 mM），B. producta菌能快速吸收外界的麦角硫因进入细胞，并将之脱三甲胺(TMA)转化成硫尿刊酸后排出体外。该麦角硫因分解代谢主要存在于厚壁菌门（Firmicutes，肠道微生物群落中的一种优势菌门）。图IV: 肠道微生物体内XOR酶参与的麦角硫因分解代谢通路。
参考文献：
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[13] Qiongxiang Yan, et al. ACS Catal.2022, 12, 4825−4832.
关于瑞德林瑞德林致力于成为绿色活性原料全球领导者，采用新一代合成生物技术，专注于实现肽、蛋白、糖、核酸等活性原料的绿色生产。公司依托创业团队20多年的科研积累和产业经验，建立了国内领先的多学科交叉技术平台，现已实现包括司美格鲁肽、替尔泊肽、S玻色因、NAD+、蓝铜肽、HMOs、各类胜肽等在内的数十种绿色活性原料量产，累计为生物医药、功效护肤、营养健康、宠物和动物保健等领域的超千家知名企业提供高品质绿色活性原料。经过7年的快速发展，公司实现在研发投入、规模和产出等方面都位居全球同类企业前列，已申请技术发明专利150余项，获得国家专精特新小巨人、国家高新技术企业、深圳市专精特新中小企业、深圳市潜在独角兽企业、广东省博士后创新实践基地、深圳医疗健康创新30强、珠海市创新创业团队、甘肃省专精特新中小企业等国家、地方等各类称号十余项，2022年入选深圳高成长企业TOP100（未上市生物类企业第一）、2023年入选哈佛商业评论高能创新团队、2024年入选德勤深圳高科技高成长20强。截止目前，瑞德林NMN、EGT和3'-SL均获得了美国GRAS认证。来源：化学加