Science：如何從宏基因組中挖掘未知酶

人類腸道菌群是在結腸中生活的億萬微生物。這些微生物的成分對於人體的健康有深刻的影響。它們不僅影響比如免疫系統的成熟，還和心血管、胃腸道等疾病相關。理解這些影響需要了解腸道菌群與人類之間的生化相互作用。2月10日的Science上哈佛大學和MIT的研究人員合作發表的一篇文章顯示結合基因組和生物化學知識可以揭示菌群中的未知酶途徑。使用一個新的工作流程，他們發現了反式-4-羥基-L-脯氨酸（在人體蛋白和膳食成分中常見的修飾氨基酸）的普遍代謝途徑。

運用基因組酶學來分析宏基因組

作者運用了來自人體微生物計劃（Human Microbiome Project）的數據，這是從數百個人身體上的不同部位取樣測序的宏基因組數據。宏基因是將一個微生物菌群的基因組DNA匯總的測序結果，這種方法允許群落中所有菌種的基因組都被分析，而不是分離培養的一小部分菌株。為了解微生物菌群的代謝能力，研究人員根據數據和已知功能的蛋白的相似性來確定宏基因組中所編碼蛋白的功能。然而只有少於20%的人類消化道宏基因組中的基因能對應上特定的代謝功能。

為了發現酶的新功能，發表此文章的研究人員運用基因組酶學來分析人類消化道微生物的宏基因組。基因組酶學結合了酶的超家族和基因組背景來預測未知的超家族的功能。酶的超家族是指有共同起源和類似催化機制（比如化學反應步驟或反應的中間結構）的酶的家族。比如在本文中，研究人員分析了甘氨醯自由基酶（GRE）家族。在這個超家族中的酶以甘氨酸為中心，用自由基進行化學反應。雖然用共享催化功能定義化學轉換的類型是可行的，酶在超家族中可以使用此功能催化不同的化學反應。酶超家族可以包含超過10000個酶，催化幾十種不同的反應，使酶分類具有挑戰性。

序列相似性網路是實際解決方案

序列相似性網路（Sequence similarity networks）是這個問題的實際解決方案。在酶學研究中使用序列相似性網路已成為普遍的現象。由於酶的功能所決定，其包含了產生序列相似性網路的機制。在每一個序列相似性網路中，每個蛋白由節點表示，如果它們的序列相似性超過用戶定義閾值，就以連接到其它蛋白來顯示。以此將不同家族蛋白的關係以簡單、快速的方法可視化。選擇合適的閾值是有挑戰性的，然而最小相似性的蛋白質之間功能有著千差萬別。一個理性的做法是設置可以試驗驗證的閾值，來將超家族的成員分成不同功能的組分。這就是這篇文章中所做的。作為結果，序列相似性網路將超家族分成更小的組，每組預測包含相同功能的蛋白。

儘管序列相似性網路還不能抓住超家族中所有進化和功能的聯繫，它們對於為實驗研究選擇目標和生成假設來說是非常有用的工具。在微生物中關於功能的假設經常根據基因組背景來推斷，因為編碼相同生化途徑的酶的基因通常在基因組中是相鄰的。結合催化機制的知識和序列相似性網路中保守的序列，酶的功能可以被預測和實驗驗證。

反式-4-羥基-L-脯氨酸代謝途徑的發現

這篇研究論文設計了一個途徑來從消化道菌群中，鑒定可能和人體中生物醫學相關的酶。他們將每個序列相似性網路的蛋白數據和人體微生物計劃中健康人的消化道菌群數據相比較。他們選擇了兩個在消化道宏基因組中特別普遍的兩個蛋白家族。

通過嚴謹的生化實驗，作者在這些家族中，確定了一個在生產L-脯氨酸通路上代表性的反式-4-羥基脯氨酸脫水酶。反式-4-羥基脯氨酸在膳食成分和人體蛋白質中都很豐富，作者發現這種酶在每個腸道宏基因組樣本都存在。因此，通過結合基因組酶學和宏基因組學，作者不僅發現了一種新的酶活動，能夠證明它在腸道微生物無處不在的作用。脯氨酸代謝可能是腸道微生物與人類健康之間重要的聯繫，因為人類中的脯氨酸代謝與細胞對應激與癌症的反應有關。

新的方法學可用於其它環境微生物研究

這篇文章不僅解釋了關於脯氨酸代謝在人類與腸道微生物的相互作用的幾個問題。他們的方法也開闢了一些新的研究方向。GRE的超家族的許多其它酶在人類腸道微生物是普遍的，可能有新的功能，研究不同家族的酶無疑有助於發現眾多其他未開發的代謝途徑。此外，這種方法可以為探索其它環境微生物的生物化學途徑開拓新的道路。例如，檢索來自污染土壤的宏基因組可以識別毒素降解的途徑。

分析在像溫泉那樣極端的環境中工作的宏基因組，可以不用培養個別微生物而揭示菌群的新陳代謝。最後，比較患慢性疾病的人和健康受試者的微生物的蛋白質家族不同丰度將是一個理解人類微生物相互作用分子基礎的步驟。

參考資料

A prominent glycyl radical enzyme in humangut microbiomes metabolizes trans-4-hydroxy-l-proline

Finding enzymes in the gut metagenome

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