Nat Commun | 上海交通大学周宁一团队在新污染物二甲双胍生物降解机制研究方面取得进展

iNature · 公众号 · · 2024-07-24 09:20

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双胍类药物二甲双胍(metformin)是治疗2型糖尿病的一线降血糖药物，在全球范围内广泛使用。然而，人们对二甲双胍在微生物分解代谢中的过程知之甚少。

2024年7月20日，上海交通大学周宁一团队（李涛为第一作者，许芷菁、张淑婷、徐佳、潘飘飘为共同作者）在 Nature Communications 在线发表题为 “ Discovery of a Ni ²⁺ -dependent heterohexameric metformin hydrolase ” 的研究论文，该研究 建立了二甲双胍分解代谢的遗传和生化基础，并为古老的酶对新出现的底物的适应提供了额外的见解。

该研究从脲水解酶超家族中鉴定了一种依赖Ni ²⁺ 的异六聚酶(MetCaCb)，它能催化二甲双胍水解成胍脲和二甲胺。单独的两个亚基都没有催化活性，但它们一起作为二甲双胍高度特异性的活性酶。MetCaCb复合物的晶体结构显示双核金属簇仅在MetCa中具有配位作用，MetCb作为其活性同源物的蛋白质结合物。 通过计算机搜索和功能分析发现了一组在环境中具有二甲双胍水解酶活性的 MetCaCb 样蛋白对。

活性药物成分(APIs)是专门为人类或牲畜设计的。 这些化合物不断排放到环境中，无意中成为各种生态系统的污染源，因此，通过与动物、植物和微生物相互作用，引发了被低估的影响。原料药的微生物分解代谢引起了人们极大的兴趣，因为原料药的环境微生物降解为减轻原料药污染物对环境的影响提供了一个屏障。此外，肠道微生物分解代谢原料药已被发现对药物疗效、生物利用度和潜在副作用有深远的影响。 然而，许多原料药的微生物分解代谢机制才刚刚开始被发现。

二甲双胍(1,1-二甲基双胍)是一种人造双胍衍生物，已有100多年的历史。它是一种极亲水的化合物，pKa值为11.5，通常作为有机阳离子存在。 二甲双胍以其对2型糖尿病(T2D)的治疗作用而闻名，并对癌症、心血管疾病、衰老和炎症有潜在的作用。由于T2D患者每天使用0.5-2.5克二甲双胍，每年消耗大量的二甲双胍，估计到2057年将增加到7.83亿人。 然而，口服二甲双胍主要作为未代谢的原型化合物被人体排出体外，使其成为全球环境中最普遍的原料药之一。

MetCaCb的结构特征（图源自 Nature Communications ）

现有证据表明二甲双胍与微生物群的相互作用和二甲双胍的可生物降解性。 然而，肠道菌群是否可以分解二甲双胍，从而影响二甲双胍与微生物的相互作用仍然是一个未解的问题。尽管如此，在过去的十年里，二甲双胍的生物降解已经在许多土壤和水生细菌群落中被发现。对其分解代谢中间体的分析揭示了几种潜在的分解代谢途径，其中鸟苷脲是在环境中积累的最常见的代谢物。直到最近才在假单胞菌中发现了负责鸟嘌呤分解代谢的基因，其中由鸟嘌呤编码的水解酶启动鸟嘌呤分解代谢，产生鸟嘌呤和氨。然而据所了解，介导二甲双胍裂解的酶尚未被表征。

研究发现了一种利用二甲双胍的氨杆菌菌株NyZ550，它通过水解分解二甲双胍，产生胍脲和二甲胺。 同时，还分离出了其他几种二甲双胍利用物，为研究预测的二甲双胍分解代谢途径提供了进一步的支持。然而，二甲双胍在这些菌株中分解代谢的分子和生化机制尚不清楚。在这项研究中报道了两个配对的精氨酸酶基因，编码一个双亚基水解酶，负责二甲双胍在氨杆菌菌株NyZ550的分解代谢。结合晶体结构和诱变研究，研究证明了MetCa和MetCb通过分子间相互作用组成了不同的异六聚体酶。研究还揭示了来自古老精氨酸酶家族的蛋白质的不同功能进化，其中MetCa保留了一个含金属的催化亚基，而MetCb进化为一个假酶作为不含金属的结合伴侣。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50409-7