大家好，本周推荐发表在cell上的文章，题目是Host-Microbe-Drug-Nutrient Screen Identifies Bacterial Effectors of Metformin Therapy，通讯作者是德国基尔大学的Christoph Kaleta教授和伦敦科学医学研究所的Filipe Cabreiro教授，前者主要研究模式生物与宿主的互作、细菌能快速适应环境变化的机制，后者主要研究药物-细菌-宿主的互作对健康衰老、癌症等疾病的影响。
宿主的微生物群受到药物与饮食等环境因素的影响，调控宿主的健康，例如在治疗II型糖尿病中用到的二甲双胍这一药物，是通过其与微生物群的相互作用来调控其对宿主的生理作用，此外，营养物质也会调控宿主-微生物之间的互作与药物疗效，例如二甲双胍对宿主的作用依赖于饮食摄入，但是微生物是如何通过依赖于营养物质来调控的机制并不清楚。本文基于大肠杆菌-线虫这两种模式生物，发展了高通量筛选的方法，来研究在宿主-微生物环境中营养物质对药效的调控，发现细菌中一个能整合二甲双胍与营养物质信号的通路，该通路会改变细菌代谢物的产生，继而影响宿主的脂肪酸代谢与寿命，最后计算机建模解释了细菌中该代谢物的产生变化对二甲双胍使II型糖尿病患者延长寿命的影响。
二甲双胍能诱导线虫产生饮食限制性的状态，Acs-2是在饮食限制性响应中激活脂肪酸β氧化的CoA合成酶同源蛋白，因此作者构建了转基因Pacs2::GFP的线虫，发现二甲双胍能削弱细菌生长，延长宿主寿命，增加acs-2表达，这样的影响因培养基而异，表明营养物质在其中也有影响。
为了研究一些特殊的营养物如何影响二甲双胍依赖于细菌对宿主的作用，作者发展了宿主-微生物-药物-营养物四面高通量筛选的方法，首先在细菌层面，测定了337种营养物对二甲双胍作用于细菌生长的影响，其次，在细菌存在及二甲双胍诱导下，测定这337种营养物对线虫acs-2表达的影响，他们发现，有几类物质能挽救细菌被二甲双胍的生长抑制同时又不影响二甲双胍原本对线虫寿命的延长作用，但也有几类物质挽救细菌被二甲双胍的生长抑制却破坏了二甲双胍对线虫的正影响，因此，作者认为细菌中存在特殊通路整合二甲双胍和营养物的作用从而调控宿主，他们通过KEGG分析，发现半乳糖和磷酸转移酶系统分别是关键的代谢和信号通路。于是，他们比较了二甲双胍处理与否的细菌蛋白质组变化且对此分析了转录因子相关信息，发现了细菌中11种可能有关的转录因子，其中，Crp（主要调节碳代谢）和ArgR（主要调节氮代谢）敲除后分别都能使二甲双胍对acs-2表达上升程度减弱，且对延长宿主寿命分别是完全需要和部分需要的作用。
那么，综合以上信息，磷酸转移酶系统（PTS）作为细菌中调控糖类主动转运的系统以及通过一系列磷酸化传导调控Crp，且Crp及其结合体cAMP又能调控多个基因转录来响应营养环境变化并调整代谢，所以，作者认为细菌的PTS-Crp轴是二甲双胍作用于宿主的关键调节子。于是，作者敲除PTS中各个磷酸转移酶，发现二甲双胍不能使线虫寿命延长，证实了PTS的关键介导功能。此外，二甲双胍也能增加细菌中的Crp转录水平，且在细菌中过表达Crp使线虫寿命增加与acs-2表达增加，此效果与二甲双胍一致，此过程也需要cAMP。
因为Crp调控了细菌的多种代谢过程，因此接下来作者想找是否存在重要的代谢物起到介导作用，他们比较了二甲双胍处理的细菌、过表达Crp的细菌、二甲双胍处理Crp敲除的细菌的代谢组，找到了一些累积的代谢物，并对利用这些代谢物作为底物的蛋白进行敲除，当胍基丁胺分解代谢酶被敲除后，即胍基丁胺水平上升，线虫acs-2表达增加，且外源补充胍基丁胺也能有此效果和延长线虫寿命，而在无法产生胍基丁胺的细菌存在条件下，二甲双胍不能再延长线虫寿命。接着，作者也通过计算机建模，表明二甲双胍通过和肠道菌群互作增加胍基丁胺产生。
最后，为了研究线虫被调节的机制，作者对其进行多组学分析，RNA测序结合KEGG分析表明，二甲双胍依赖于细菌而诱导宿主寿命延长的相关基因主要集中在过氧化物酶体和脂肪酸代谢中。二甲双胍依赖于细菌的Crp而上调线虫中脂肪酸代谢基因和增加过氧化物酶体量。当全局性的脂肪酸氧化转录调节子nhr-49被敲除后，由二甲双胍诱导的脂肪酸代谢被抑制，线虫寿命也不再能被二甲双胍处理、或过表达Crp、或补充胍基丁胺而延长，因此，二甲双胍是通过调节线虫中的脂肪酸氧化来延长线虫寿命的。
总的来说，本文利用宿主-细菌-二甲双胍-多种营养物的高通量筛选，发现了细菌中响应环境营养物的磷酸转移系统和碳代谢调节因子Crp在其中起到重要作用，且二甲双胍是由此增加了细菌中胍基丁胺的量，从而调节了宿主的脂肪酸氧化使其寿命增长。
文章作者：LBW
文章链接：
/10.1016/j.cell..08.003
文章引用：
DOI：10.1016/j.cell..08.003
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