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人体结肠黏液层是一种可以将机体内部环境和肠腔内环境分开的复杂结构。一旦该屏障的完整性受到破坏，肠道微生物、毒素等外源性有害物质会侵犯宿主肠道组织，造成炎症和组织损伤，从而导致炎症性肠病和结直肠癌等疾病。
人体结肠黏液层的主要组成成分之一是黏蛋白（主要是MUC2）。黏蛋白是一种高度糖基化的蛋白质，带有大量的O-糖链。在远端结肠中，黏蛋白O-聚糖的末端常被硫酸化，以防止聚糖被酶降解。因此，若要降解该糖链，首先需要产生相应的硫酸酯酶去除末端的硫酸基团。已知某些定植于肠道的微生物，如多形拟杆菌（主要的肠道细菌之一），可以利用O-聚糖作为其营养物质，但是具体参与该过程的硫酸酯酶尚不清楚。
近日，来自密歇根大学的Eric C. Martens团队在Nature杂志上发表了题为A single sulfatase is required to access colonic mucin by a gut bacterium的文章，揭示了多形拟杆菌降解结肠黏蛋白的关键硫酸酯酶。
虽然此前有研究探究了人肠道微生物对猪结肠黏蛋白寡糖（gMO）的利用情况，但是由于gMO缺乏高度的硫酸化修饰，与人体结肠黏蛋白存在较大差异，无法反映人体结肠中的真实情况。因此，该研究团队使用了高度硫酸化的猪结肠黏蛋白寡糖（cMO）。
首先为了鉴定可以利用人结肠黏蛋白的菌株，作者将16株来自拟杆菌属的典型菌株、3株来自于Phocaeicola属的菌株和Akk菌与cMO共培养，发现多形拟杆菌能够利用cMO作为其营养物质，并且是所有菌株中生长得最好的，提示其所拥有的硫酸酯酶起到了关键作用。
硫酸酯酶可分为4个家族（S1-S4），对多形拟杆菌基因组的分析显示，其编码了28个S1家族的硫酸酯酶，其中包含了4个已被鉴定为作用于胞外基质中糖胺多糖的硫酸酯酶。因此，作者对剩余24个未知硫酸酯酶中的23个进行了探究，检测了它们对一系列硫酸糖的活性。结果显示其中的12个硫酸酯酶具有相应的活性，使多形拟杆菌具有将O-聚糖末端硫酸基团移除的能力。
接下来， 作者进一步探究了这些硫酸酯酶对cMO的活性，发现硫酸酯酶BT16286S-GlcNAc和BT31776S-GlcNAc可以从所有GlcNAc的O-聚糖末端移除6-O-硫酸基团，BT46833S-Gal可以移除部分位置的硫酸基团。此外，作者还发现，在与BT16363S-Gal共孵育后，新产生了14种新寡糖，且非硫酸化聚糖含量增加。
为了揭示硫酸酯酶作用的机理，作者解析了其中3种3S-Gal硫酸酯酶的晶体结构，解释了其底物特异性的机理，其中BT16363S-Gal利用了半乳糖（Gal）的O2和O4间的高亲和力来增强其活性，以去除不同cMO结构中末端的3S-Gal。
最后，作者探究了帮助多形拟杆菌利用cMO的关键酶。由于厌氧硫酸盐酶成熟酶（anSME）是激活28个S1硫酸酯酶所必需的，因此，作者首先构建了anSME敲除菌作为对照（敲除该基因后在cMO培养条件下生长状况变差）。
接着，作者对多形拟杆菌的硫酸酯酶进行了逐一或组合敲除，结果发现，敲除BT16363S-Gal后，严重影响了多形拟杆菌的生长，但敲除其他 8个硫酸酯酶对细菌的生长影响较小。此外，敲除了包括BT16363S-Gal在内的10个硫酸酯酶的菌株生长状态也较差，但当回补BT16363S-GalI后，菌株在cMO的生长情况明显得到改善。
进一步，作者还分析了野生菌株和敲除BT16363S-Gal菌株（Δbt16363S-Gal）的培养液，发现Δbt16363S-Gal菌株的培养液中存在大量末端为3S-Gal的聚糖。由于BT16363S-Gal定位于细胞膜，提示其参与O-聚糖的早期分解代谢，即在聚糖进入细胞周质前，将其末端的3S-Gal切割掉。上述一系列的结果说明BT16363S-Gal是帮助多形拟杆菌利用cMO的关键酶。
综上，该研究为多形拟杆菌降解结肠黏蛋白的机制提供了新见解，揭示了一种关键的硫酸酯酶。该研究可以帮助我们更好地理解正常肠道微生物定植和引发炎症性肠病等疾病的过程。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03967-5
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