Cell | 肠道微生物与高尿酸血症及痛风的神秘关系揭示！

大多数哺乳动物通过尿酸氧化酶将尿酸转化为易溶性尿囊素排出体外，但人类进化早期尿酸酶功能丧失，导致现代人高尿酸血症和痛风的问题。现有治疗方法存在限制，因此需要新的疗法。研究表明肠道在尿酸排泄中具有重要作用，某些肠道细菌可以消耗尿酸并产生代谢产物。但肠道细菌在维持宿主尿酸平衡中的未知机制。

新发表在《细胞》上的这项研究表明，肠道中存在大量肠道细菌能够厌氧消耗尿酸，将其转化为黄嘌呤或乳酸以及短链脂肪酸 (SCFA)、乙酸盐和丁酸盐。在小鼠模型中的显示，人类肠道细菌可以补偿尿酸酶的损失，而针对厌氧菌的抗生素会消除肠道细菌，从而增加人类患痛风的风险。这项研究揭示了肠道细菌促进宿主尿酸稳态的一种以前未知的机制。

01

首先，该研究揭示了肠道细菌在厌氧条件下普遍存在尿酸的消耗能力。通过培养不同种类的人类肠道细菌，研究人员发现超过1/5的所研究的菌株可以在厌氧环境中消耗尿酸（图1）。

图1. 无氧尿酸代谢在人类肠道细菌中广泛存在。 (E) 丰富培养基中尿酸筛查的结果，按门分组。每个点代表一个细菌菌株。F) 放线菌门、梭杆菌门和厚壁菌门内消耗尿酸的细菌的系统发育分布。深紫色点代表消耗>50%尿酸的菌株。(G) 密切相关的细菌在丰富培养基中生长期间的尿酸消耗。

这项研究进一步展示了不同细菌中尿酸消耗的差异，即使在密切相关的细菌之间也存在这种差异，这表明尿酸代谢能力在细菌进化中可能多次获得或丧失。此外，研究还探讨了尿酸代谢在不同细菌中的保守性，并提出了细菌进化过程中可能发生的尿酸代谢的变化。

02

在研究了大量肠道细菌的尿酸代谢后，发现其中一些菌株在消耗尿酸时会产生黄嘌呤。然而，产生黄嘌呤的菌株只是尿酸消耗者的一部分，表明其他细菌可能产生尚未确定的代谢产物。

图 2. 肠道细菌将尿酸转化为黄嘌呤或乳酸和短链脂肪酸(A) 稳定同位素示踪概述。将细菌培养在含有未标记或均匀标记的[¹³C₅]尿酸的丰富培养基中，并在指定时间通过LC-MS对代谢物进行定量。(B 和 C) 当 (B) Blautia sp. KLE 1732 时标记底物或产物的提取离子色谱图或 (C)  Clostridium sporogenes ATCC 15579 与标记或未标记的尿酸一起培养。(D) 在所研究的所有九种细菌的无细胞培养物上清液中检测到的标记底物和产物。(E) 尿酸转化为黄嘌呤或乳酸盐以及 SCFA 乙酸盐和丁酸盐。

通过稳定同位素示踪实验，发现某些菌株将尿酸转化为黄嘌呤，而另一些菌株更完全地分解尿酸，产生乳酸、短链脂肪酸和乙酸盐等代谢产物（图2）。此外，研究还发现不同培养条件下营养可用性影响肠道细菌尿酸消耗的程度。这些结果揭示了肠道细菌尿酸代谢的两种途径以及其受营养条件的调控。

图 3. RNA-seq 揭示了肠道细菌中尿酸诱导基因簇 (A) 实验设计概述。三种生物体（C. sporogenes, L. saccharolytica 和C. aerofaciens）在含有或不含有补充尿酸的丰富培养基中培养，并通过 RNA-seq 分析转录组。(B) 维恩图显示所有三种生物体均显着诱导基因。(C) 火山图显示三种生物体中差异调节的基因。每个点代表一个基因。蓝点代表被诱导的基因，橙点代表当尿酸存在时被抑制的基因。(D) 保守尿酸诱导基因的基因组背景和 RNA-seq 覆盖范围。

该研究通过培养不同种类的肠道细菌并进行RNA测序分析，鉴定出共有五个尿酸诱导基因（ygeX、ygeY、ygeW、ygfK 和 ssnA），这些基因编码的酶可能参与将尿酸转化为黄嘌呤和其他代谢物（图2）。研究还发现，尿酸代谢基因在肠道细菌中广泛分布，与尿酸代谢能力表现出强烈一致性，解释了不同细菌之间尿酸消耗差异的原因。部分突变或完全阻断尿酸代谢的细菌无法产生乙酸和丁酸盐等代谢产物，支持这些基因在尿酸转化为短链脂肪酸中的重要作用。此外，研究还发现一些细菌可能将尿酸转化为黄嘌呤，这可能涉及黄嘌呤脱氢酶基因。这些发现揭示了肠道细菌尿酸代谢的多样性和重要性。

03

大肠杆菌基因组中含有与尿酸代谢相关的基因簇，包括尿酸诱导基因。这些基因可能参与将尿酸降解为乙酸等代谢产物。该研究发现，大肠杆菌在特定的营养条件下能够消耗尿酸，这受到营养物质可用性的影响。

图 6. 大肠杆菌尿酸代谢的营养依赖性以及基因在尿酸转化为乙酸盐中的作用 (A) 大肠杆菌中尿酸代谢基因的基因组背景。黑色三角形表示先前研究的基因，红色三角形表示本研究的目标基因。(B) 碳水化合物 (CHO) 充足（左）或 CHO 有限（右）条件下尿酸代谢筛选的结果。菌株按剩余尿酸量排序，大肠杆菌用红点表示。(C) 不同营养条件下大肠杆菌的尿酸代谢。(D) 野生型和突变型大肠杆菌菌株中的稳定同位素示踪。菌株在含有标记或未标记尿酸的改良岐阜厌氧培养基中培养。标记的底物和产物通过 LC-MS 进行定量。(E) YgfK 的 Pfam 结构域和先前显示参与大肠杆菌尿酸代谢的两个基因产物（AegA 和 YgfT）。(F) 补充尿酸与未补充尿酸的条件下 ygfK、aegA 和 ygfT 的相对表达。培养基中剩余的尿酸显示在上图中。

通过基因敲除和同位素示踪实验，确定了几个基因（如ygeW、ygeX、ygeY、hyuA、ygfK 和 ssnA）在尿酸降解过程中的作用，特别是通过将尿酸转化为乙酸。研究还揭示了这些基因在营养条件下的表达调控机制，并与甲酸依赖性尿酸代谢相关的基因（如aegA和ygfT）在结构上存在相似性。此外，尿酸的消耗在兼性厌氧菌中更为常见，这表明所鉴定的基因在厌氧尿酸代谢中具有特殊的功能。

04

在小鼠模型中，与人类不同，小鼠具有尿酸酶功能，因此野生型小鼠血尿酸水平较低。研究使用两种小鼠模型，Uox基因突变小鼠和尿酸酶抑制，发现Uox基因敲除小鼠表现高尿酸血症，且肾脏中积聚尿酸晶体。使用抗生素治疗Uox基因敲除小鼠导致严重高尿酸血症和急性肾损伤。

图 7. 肠道细菌补偿尿酸酶的损失(A) 小鼠嘌呤代谢概述。(B) Uox 小鼠实验设计概述。(C) 雄性和雌性 Uox+/- 或 Uox-/- 小鼠的血浆尿酸水平。D) Uox+/-或Uox-/-小鼠中的盲肠尿酸水平，无论是否接受抗生素治疗。(E) 雄性和雌性 Uox+/- 或 Uox-/- 小鼠的血浆肌酐水平。(F) 非抗生素处理的 Uox+/- 或 Uox-/- 小鼠盲肠内容物的同位素示踪。(G) 限菌 C57Bl/6 小鼠仅含氧酸实验的概述。 (H) GF、WT 或 xdhAC 定植小鼠的血浆尿酸水平。右侧面板代表最终时间点的放大视图。(I) GF、WT 或 xdhAC 定植小鼠的盲肠尿酸水平。(J) 限菌 C57Bl/6 小鼠的氧酸 + 尿酸实验概述。社区成员在框中标明。(K)非消费或消费定植小鼠的血浆尿酸水平。(L) 非消费或消费定植小鼠的盲肠尿酸水平。(M) 以痛风诊断为终点、口服 Bactrim 或克林霉素（R5 天疗程）治疗的不匹配患者的 Kaplan-Meier 生存曲线。(N) 倾向评分的 Kaplan-Meier 生存曲线与用 Bactrim 或克林霉素（R5 天疗程）治疗的患者相匹配，并以痛风诊断为终点。

实验显示肠道微生物可以代谢尿酸为短链脂肪酸，此过程可能影响宿主尿酸水平（图7）。通过饮食和细菌定植实验，进一步证明肠道微生物的尿酸代谢能力会影响宿主尿酸水平。

05

基于上述结果，研究人员推测抗生素可能与人类痛风风险相关。为了验证这一假设，研究比较了两种口服抗生素，克林霉素（已知可同时针对需氧和厌氧微生物）和甲氧苄啶/磺胺甲恶唑 (可针对需氧微生物)。通过分析斯坦福医疗保健系统的电子健康记录，研究人员发现，在克林霉素治疗的患者中，痛风的发病率较接受氧苄啶/磺胺甲恶唑治疗的患者更高。倾向评分匹配后的分析结果也支持这一发现。这些发现表明，具有厌氧活性的广谱抗生素对厌氧肠道微生物群的破坏会增加人类患痛风的风险。

研究人员重新分析了微生物代谢组学数据，发现微生物群的消耗与粪便中尿酸水平的升高相关。不同饮食模式（纯素、杂食、无纤维饮食）在抗生素治疗后对尿酸基因簇丰度产生影响。特别是，在无纤维饮食组中，尿酸基因簇丰度的恢复较慢且持续升高。研究还发现，厚壁菌门的细菌在这种情况下显示出延迟恢复，强调了微生物组成的重要性。这些研究结果揭示了微生物组的扰动与膳食纤维缺乏之间的关联，可能导致肠道尿酸代谢的长期不平衡状态。

总之，该研究表明广谱抗生素，特别是对厌氧微生物具有活性的抗生素，可能会增加人类患痛风的风险。此外，微生物组的扰动以及膳食纤维的缺乏可能与尿酸代谢失调有关，强调了微生物组在痛风发病机制中的重要性。

总结

这项研究深入了解肠道微生物群在高尿酸血症和痛风这两种常见疾病中的作用。这些结果有两个重要含义。首先，对于易患痛风的患者，应仔细考虑可能破坏肠道微生物群的抗生素治疗。如果对这些患者使用抗生素，低纤维饮食可能会导致肠道尿酸代谢恢复困难。其次，促进肠道尿酸代谢的方法代表了治疗高尿酸血症患者的潜在重要疗法。沿着这些思路，最近的研究表明，口服（不可吸收）重组尿酸酶酶疗法可降低尿酸酶缺陷小鼠的血浆尿酸浓度，并降低健康志愿者的血浆尿酸浓度。尿酸池分布在不同的身体部位，其中包括血浆、关节、肾脏和肠道，后两者是由双向转运蛋白介导的主要排泄途径。人们认为肠道尿酸的酶促降解会影响尿酸库的平衡，从而减少总体高尿酸血症。这项研究表明，由消耗尿酸的细菌组成的活菌制剂也可能成为治疗高尿酸血症和痛风的重要治疗方式。