Science：如何从宏基因组中挖掘未知酶
人类肠道菌群是在结肠中生活的亿万微生物。这些微生物的成分对于人体的健康有深刻的影响。它们不仅影响比如免疫系统的成熟，还和心血管、胃肠道等疾病相关。理解这些影响需要了解肠道菌群与人类之间的生化相互作用。2月10日的Science上哈佛大学和MIT的研究人员合作发表的一篇文章显示结合基因组和生物化学知识可以揭示菌群中的未知酶途径。使用一个新的工作流程，他们发现了反式-4-羟基-L-脯氨酸（在人体蛋白和膳食成分中常见的修饰氨基酸）的普遍代谢途径。
运用基因组酶学来分析宏基因组
作者运用了来自人体微生物计划（Human Microbiome Project）的数据，这是从数百个人身体上的不同部位取样测序的宏基因组数据。宏基因是将一个微生物菌群的基因组DNA汇总的测序结果，这种方法允许群落中所有菌种的基因组都被分析，而不是分离培养的一小部分菌株。为了解微生物菌群的代谢能力，研究人员根据数据和已知功能的蛋白的相似性来确定宏基因组中所编码蛋白的功能。然而只有少于20%的人类消化道宏基因组中的基因能对应上特定的代谢功能。
为了发现酶的新功能，发表此文章的研究人员运用基因组酶学来分析人类消化道微生物的宏基因组。基因组酶学结合了酶的超家族和基因组背景来预测未知的超家族的功能。酶的超家族是指有共同起源和类似催化机制（比如化学反应步骤或反应的中间结构）的酶的家族。比如在本文中，研究人员分析了甘氨酰自由基酶（GRE）家族。在这个超家族中的酶以甘氨酸为中心，用自由基进行化学反应。虽然用共享催化功能定义化学转换的类型是可行的，酶在超家族中可以使用此功能催化不同的化学反应。酶超家族可以包含超过10000个酶，催化几十种不同的反应，使酶分类具有挑战性。
序列相似性网络是实际解决方案
序列相似性网络（Sequence similarity networks）是这个问题的实际解决方案。在酶学研究中使用序列相似性网络已成为普遍的现象。由于酶的功能所决定，其包含了产生序列相似性网络的机制。在每一个序列相似性网络中，每个蛋白由节点表示，如果它们的序列相似性超过用户定义阈值，就以连接到其它蛋白来显示。以此将不同家族蛋白的关系以简单、快速的方法可视化。选择合适的阈值是有挑战性的，然而最小相似性的蛋白质之间功能有着千差万别。一个理性的做法是设置可以试验验证的阈值，来将超家族的成员分成不同功能的组分。这就是这篇文章中所做的。作为结果，序列相似性网络将超家族分成更小的组，每组预测包含相同功能的蛋白。
尽管序列相似性网络还不能抓住超家族中所有进化和功能的联系，它们对于为实验研究选择目标和生成假设来说是非常有用的工具。在微生物中关于功能的假设经常根据基因组背景来推断，因为编码相同生化途径的酶的基因通常在基因组中是相邻的。结合催化机制的知识和序列相似性网络中保守的序列，酶的功能可以被预测和实验验证。
反式-4-羟基-L-脯氨酸代谢途径的发现
这篇研究论文设计了一个途径来从消化道菌群中，鉴定可能和人体中生物医学相关的酶。他们将每个序列相似性网络的蛋白数据和人体微生物计划中健康人的消化道菌群数据相比较。他们选择了两个在消化道宏基因组中特别普遍的两个蛋白家族。
通过严谨的生化实验，作者在这些家族中，确定了一个在生产L-脯氨酸通路上代表性的反式-4-羟基脯氨酸脱水酶。反式-4-羟基脯氨酸在膳食成分和人体蛋白质中都很丰富，作者发现这种酶在每个肠道宏基因组样本都存在。因此，通过结合基因组酶学和宏基因组学，作者不仅发现了一种新的酶活动，能够证明它在肠道微生物无处不在的作用。脯氨酸代谢可能是肠道微生物与人类健康之间重要的联系，因为人类中的脯氨酸代谢与细胞对应激与癌症的反应有关。
新的方法学可用于其它环境微生物研究
这篇文章不仅解释了关于脯氨酸代谢在人类与肠道微生物的相互作用的几个问题。他们的方法也开辟了一些新的研究方向。GRE的超家族的许多其它酶在人类肠道微生物是普遍的，可能有新的功能，研究不同家族的酶无疑有助于发现众多其他未开发的代谢途径。此外，这种方法可以为探索其它环境微生物的生物化学途径开拓新的道路。例如，检索来自污染土壤的宏基因组可以识别毒素降解的途径。
分析在像温泉那样极端的环境中工作的宏基因组，可以不用培养个别微生物而揭示菌群的新陈代谢。最后，比较患慢性疾病的人和健康受试者的微生物的蛋白质家族不同丰度将是一个理解人类微生物相互作用分子基础的步骤。
参考资料
A prominent glycyl radical enzyme in humangut microbiomes metabolizes trans-4-hydroxy-l-proline
Finding enzymes in the gut metagenome
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