來源：上海交大 上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室周寧一教授團隊繼發(fā)現(xiàn)一線降糖藥物二甲雙胍的降解菌株之后（ES&T，2023），進一步在生化水平上解析了二甲雙胍的微生物分解代謝機制，相關研究論文“Discovery of a Ni2+-dependent heterohexameric metformin hydrolase ”發(fā)表于《Nature Communications》，生命科學技術學院助理研究員李濤博士為第一作者，周寧一教授為通訊作者，課題組四位博士研究生許芷菁、張淑婷、徐佳、潘飄飄為共同作者。 二甲雙胍是一種一線抗糖藥物，也被用于抗癌、控制體重等方面，已成為臨床使用量最大的處方類藥物之一。但其幾乎不被人體代謝，攝入以后主要以原型的形式排出體外而最終匯入污水處理廠并釋放到環(huán)境中，是環(huán)境中檢出濃度和頻率最高的新污染物之一。本團隊2023年初報道了一株能以二甲雙胍為唯一碳、氮源生長的菌株Aminobacter sp. strain NyZ5501。幾乎同時，來自法國和美國的研究團隊也分別獨立報道了來自氨基桿菌屬和假單胞菌屬的二甲雙胍降解菌株，這些研究表明二甲雙胍降解菌株可能在全球廣泛分布，主要歸屬于氨基桿菌屬和假單胞菌屬，但這些菌株中二甲雙胍分解代謝機理仍亟待揭示。 本研究在菌株NyZ5501中鑒定了催化二甲雙胍降解起始反應的水解酶。該酶是一個來自精氨酸家族的金屬水解酶，但與該家族普遍存在的錳離子依賴型酶不同，二甲雙胍水解酶依賴于鎳離子。此外，該酶是由兩個亞基組成的異源六聚體形式，而精氨酸家族的酶通常是同源多聚體組裝。其中一個亞基保留了金屬離子催化中心，而另外一個亞基在進化的過程中失去了金屬離子結合能力，主要行使穩(wěn)定復合物結構的作用。異源表達、酶學分析、晶體結構、冷凍電鏡及點突變分析結果表明其獨特的異源多聚體組裝形式對于二甲雙胍水解酶的活性必不可少。 通過數(shù)據(jù)庫檢索以及酶活分析，我們在多種來源的環(huán)境細菌中鑒定了功能性的二甲雙胍水解酶，主要分布于四個門Proteobacteria, Actinomycetota, Acidobacteriota和Planctomycetota。我們的發(fā)現(xiàn)不僅解析了微生物分解代謝二甲雙胍的遺傳和生化基礎，而且對古老的精氨酸酶家族蛋白適應環(huán)境中新出現(xiàn)的人工合成化合物的機理提供了新的見解，同時為二甲雙胍污染環(huán)境治理及修復提供了潛在的應用價值。值得指出的是，美國明尼蘇達大學Lawrence P. Wackett教授團隊今年在PNAS發(fā)文以及德國Jörg Hartig教授團隊發(fā)表預印本論文，分別獨立鑒定了來自假單胞菌的二甲雙胍水解酶，展示出科學工作者對微生物分解代謝二甲雙胍的普遍興趣。 環(huán)境微生物能夠通過快速進化獲得降解人工合成的二甲雙胍分子的能力，這一事實也提醒我們?nèi)梭w腸道微生物出現(xiàn)二甲雙胍降解能力的可能性。腸道微生物對于二甲雙胍的降解可能會影響這一重要藥物的治療效果。盡管我們目前通過搜索公共數(shù)據(jù)庫中的人體腸道微生物組數(shù)據(jù)尚未發(fā)現(xiàn)有活性的二甲雙胍水解酶MetCaCb同源物，但仍需考慮二甲雙胍水解酶基因未來轉移至腸道微生物或者腸道微生物進化出新的二甲雙胍代謝酶的可能性。 圖1 Aminobacter sp. strain NyZ550中二甲雙胍水解酶的鑒定。（a）二甲雙胍水解酶編碼基因簇及其催化的反應；（b）二甲雙胍水解酶活性分析；（c）二甲雙胍水解酶異源六聚體總體結構；（d）二甲雙胍水解酶雙鎳活性中心；（e）二甲雙胍水解酶及其同源物的系統(tǒng)發(fā)育分析。 本工作得到了國家自然科學基金重點項目（32230001）的支持。