Nature子刊：酵母菌“变身”工程益生菌，可用于治疗炎症性肠病

炎症性肠病（IBD）是一种复杂的胃肠道慢性炎症性疾病，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎。临床常表现为腹痛、腹泻、血便、体重减轻等，目前还很难根治，大多数可用的IBD疗法会抑制全身的免疫系统，增加患者感染和患某些类型癌症的风险，因此对于IBD的治疗仍需不断探索。

　　共生微生物群是目前医学研究的热点话题，在正常情况下，由微生物细胞和它们所包含的基因组成的细菌群落，不仅不会危害我们的健康，反而对人体有益，能帮助身体进行消化、生长和防御。但微生物群也和人类多种疾病的发生发展相关，研究表明共生微生物群和宿主细胞产生的细胞外三磷酸腺苷(eATP)能够激活嘌呤能信号，诱发肠道炎症和病理进展。

　　2021年6月28日，美国哈佛医学院Francisco J. Quintana课题组在国际学术期刊Nature Medicine上在线发表了题目为“ Self-tunable engineered yeast probiotics for the treatment of inflammatory bowel disease ”的文章，该项研究通过结合定向进化和合成基因回路的方法，开发出了用于治疗炎症性肠病的自调节工程酵母益生菌。

　　

　　DOI: 10.1038/s41591-021-01390-x

　　酵母菌在食品中的应用较为广泛，有一个明确的信号转导途径，即交配途径，它可以在功能上与人G蛋白偶联受体(GPCRs)相连，使蛋白质的受控表达能够响应与人生理相关的刺激反应。在这里，研究人员首先定向进化了P2Y2受体，P2Y2受体是一种GPCR受体，可感知eATP和细胞外尿苷三磷酸(eUTP)。与野生的人P2Y2受体相比，工程P2Y2受体对eATP和eUTP都更敏感。确定好P2Y2受体后，研究人员通过嵌合酵母Gpa1人Gαi3蛋白将人P2Y2受体与酵母交配途径偶联，使得这种基于酵母的工程益生菌可以表达人类P2Y2嘌呤能受体，而eATP敏感性增加了1,000 倍。

　　

　　人类P2Y2受体的定向进化

　　随后，为了能让益生菌感知促炎性分子并与之中和，研究人员将这种工程化P2Y2受体的激活与腺苷三磷酸双磷酸酶的分泌联系起来，腺苷三磷酸双磷酸酶是一种ATP降解酶，它可以水解促炎性eATP并参与其转化为免疫抑制腺苷。研究人员使用基于CRISPR-Cas9的方法，将传感(P2Y2)和响应(RROP1)元素共同引入相同酵母菌株的基因组，产生了一种对eATP的生理水平作出反应而分泌功能性ATPase的酵母菌株。

　　

　　工程酵母对 AtPase 的 eAtP 响应性分泌

　　最后，研究人员评估了工程酵母在小鼠消化道中的生存能力以及经口给药的工程酵母在不同的结肠炎模型中的治疗价值。研究表明这些益生菌在肠道中是有活力的，但不会定居在肠道中。而在口服给药后实验组小鼠结肠样品中促炎基因表达减少，IFN-γ和IL-17（促炎细胞因子）的表达下降，病理切片也证实肠道炎症有所改善。此外，工程益生菌还可以减少肠道纤维化和生态失调。

　　

　　eATP 反应性工程酵母改善化学诱导的结肠炎

　　总之，该项研究创造了能够感知促炎分子并产生中和促炎分子的比例自我调节反应的工程化酵母益生菌，这些酵母益生菌可抑制IBD小鼠模型的肠道炎症，减少了肠道纤维化和生物失调，其疗效临床标准护理疗法相当。


参考资料：https://www.nature.com/articles/s41591-021-01390-x