《自然》：肠菌“钝化”降糖药！科学家首次发现，口腔和肠道中特定微生物为了生存，能表达让阿卡波糖失活的酶丨科学大发现
阿卡波糖，2型糖尿病常用的降糖药，万万没想到还是被肠道菌群打败了。
美国普林斯顿大学的Mohamed S. Donia教授及其团队和其他合作单位，在顶级期刊《自然》杂志上发表重要研究成果[1]。
他们通过宏基因组测序结合生物化学以及结构学等实验分析，发现部分人群的口腔和肠道中天然存在抑制阿卡波糖活性的细菌，它们通过表达阿卡波糖磷酸酶使之失活，减弱了阿卡波糖控制血糖的效果。
▲ 文章封面截图
2019年在中国市场销售额达75亿的阿卡波糖片，糖尿病患者肯定不会陌生。其成分阿卡波糖是一种复杂低聚糖，可以竞争性结合肠道中的α-葡萄糖苷酶（包括唾液淀粉酶和胰淀粉酶）并抑制其活性，从而中止或减缓麦芽糖、异麦芽糖、淀粉及蔗糖等碳水化合物的分解，降低产物葡萄糖的形成和吸收，缓解餐后高血糖，达到降低血糖的作用[2]。
阿卡波糖本身无法被人体吸收或利用，仅在肠腔中发挥作用。然而除了人体细胞之外，肠道菌群也可以表达α-葡萄糖苷酶，这么一来这些细菌对碳水化合物的利用也受到了阿卡波糖影响。科学家们已经发现，服用阿卡波糖会造成肠道中代谢产物环境的改变，影响肠道菌群的结构。
这真是菌在肠中坐，锅从天上来。肠道菌群定然不会坐以待毙。
果不其然，科学家已经发现有些类别的细菌在病人服用阿卡波糖后的丰度更高[3]，但具体是哪些菌株通过何种机理适应了新的环境，菌群的改变对糖尿病的治疗有正面还是负面的影响还不清楚。
工业上用来生产阿卡波糖的是一种放线菌属的工程菌Actinoplanes sp. SE50/110，它自身可以表达一种阿卡波糖激酶（AcbK）[4]，对阿卡波糖进行磷酸化从而抑制其活性，这样一来Actinoplanes sp. SE50/110就可以在生产阿卡波糖的同时，正常利用寡糖进行新陈代谢。
研究人员由此想到的是，会不会那些丰度变高的细菌同样表达了阿卡波糖激酶呢？
NCBI数据库里已经有大量的人类口腔拭子、生殖道拭子和粪便样品的宏基因组测序数据，在3212份样品中，Donia团队比对出82种微生物编码的碳水化合物激酶（基因名mck1-mck82），其中3个是土壤微生物表达的阿卡波糖激酶（基因名AcbK，GacK，ScatK），另外有21个碳水化合物激酶和阿卡波糖激酶呈高度同源性。
▲ 肠道菌群来源mak基因系统发育树（左）以及部分Mak磷酸化阿卡波糖的酶催化效率（右）
接下来，Donia团队在大肠杆菌种表达了其中9个与阿卡波糖激酶同源的碳水化合物激酶基因，并拿到了纯化后的蛋白，与阿卡波糖和ATP共孵育，再用高效液相色谱-质谱联用 （HPLC-MS）检测阿卡波糖的磷酸化的速率。
其中8个碳水化合物激酶表现出磷酸化阿卡波糖的能力，速度分别是阳性对照Actinoplanes sp. SE50/110来源的阿卡波糖激酶AcbK的1/17到2倍。这8个基因及其对映的激酶被定义为肠道菌群来源的阿卡波糖激酶（microbiome-derived acarbose kinases, Maks）。
当Donia团队回看这8种经鉴定的maks在那3212份样品中的阳性率时，他们发现在几份口腔拭子样品中存在maks（至少一种）的比率最高，能达到59%（144/243）甚至94%（249/264），主要来自放线菌门的Actinomyces oris, 厚壁菌门的Solobacterium moorei以及梭杆菌门的Leptotrichia trevisanii。Maks在粪便样品中检出的比率较低，其中mak16是唯一一个只出现在粪便而非口腔样品的阿卡波糖激酶，其来源是厚壁菌门的Turicibacter sanguinis，携带mak16的粪便样品约为4-11%。
接下来，Donia团队解析了口腔样品中出现率最高的Mak1与工程菌AcbK的三级结构，并通过一系列酶学实验证明二者具有相似的催化活力，对阿卡波糖的结合具有特异性，结合方式也类似。
此外，他们还发现被磷酸化的阿卡波糖，不再具有抑制唾液淀粉酶和胰淀粉酶的能力。当在口腔细菌Actinomyces viscosus中插入mak1基因后，该细菌更能抵抗阿卡波糖，利用碳水化合物的能力和生长速率都更高。
▲ Mak1与AcbK的三级结构（上），阿卡波糖分别与Mak1、AcbK共孵育后对淀粉酶的抑制效果（中），Actinomyces viscosus表达mak1前后在阿卡波糖作用下的相对生长繁殖速率（下）
那么问题来了，如果肠道菌群能抑制阿卡波糖的活性，是否会影响阿卡波糖对糖尿病的治疗效果？
Donia团队又通过宏基因组测序，分析了16名接受阿卡波糖治疗的二型糖尿病患者的粪便样品，发现8名患者呈阿卡波糖磷酸酶基因（mak）阳性，而这8人在治疗过程中较另一组患者呈现更高的糖化血红蛋白（HbA1c）（阿卡波糖治疗28、56、84天）和更高的空腹血糖（阿卡波糖治疗84天）。
显然，肠道菌群表达的阿卡波糖磷酸酶弱化了阿卡波糖的治疗效果。
▲ II型糖尿病患者接受阿卡波糖治疗0-84天不同时间点的糖化血红蛋白和空腹血糖指标
这项研究到此并没有结束，Donia团队又提出一个问题：为什么上述肠道菌或口腔细菌会表达阿卡波糖激酶？难道说人体内本就有内源性阿卡波糖或其类似物？
他们仍旧以工程菌Actinoplanes sp. SE50/110表达的阿卡波糖合成酶基因为对照，科学家们在口腔样本的宏基因组测序结果中，找到了与之高度同源的菌群来源阿卡波糖合成酶基因[4]，主要来自Actinomyces sp.。而这一酶的产物正是阿卡波糖类似物，也被称为内碳糖（endocarbose）。
说白了在我们使用阿卡波糖之前，体内有的细菌就已熟练掌握对阿卡波糖类似物的合成，而有的细菌早已学会通过磷酸化的方式消除阿卡波糖的影响。
不得不说有菌群的地方，就有江湖。
当然了，这个研究发现的现象和机制，还需要在更大的临床研究中证实。不过，从个性化医疗的角度来看，未来在使用阿卡波糖对糖尿病的治疗中，检测 mak基因在粪便中的表达可能对疗效的预测和药量的调整具有指导意义。
此外，这项研究还提醒我们，肠道菌群不仅对抗生素有耐药性，对调控代谢类药物同样有耐药性。肠道菌群长期经历复杂的代谢物竞争，出现这一结果也是情理之中，只能说我们对菌群的代谢活动还知之甚少。因此在代谢类药物的研发过程中我们要警惕它是否会被肠道菌群利用、改造或分解，影响药效的发挥。
参考文献
1. Balaich, J., Estrella, M., Wu, G. et al. The human microbiome encodes resistance to the antidiabetic drug acarbose. Nature 600, 110–115 (2021).
2. Chiasson, J. L. et al. Acarbose for prevention of type 2 diabetes mellitus: the STOP-NIDDM randomised trial. Lancet 359, 2072–2077 (2002).
3. Whang, A., Nagpal, R. Yadav, H. Bi-directional drug-microbiome interactions of anti-diabetics. eBioMedicine 39, 591–602 (2019).
4. Wehmeier, U. F. Piepersberg, W. Biotechnology and molecular biology of the alpha-glucosidase inhibitor acarbose. Appl. Microbiol. Biotechnol. 63, 613–625 (2004).
