Angew Chem Int Ed | 复旦大学王炜团队开发荧光L-氨基酸探针，揭示毛螺菌科与宿主免疫和平共处机制
Angew Chem Int Ed | 复旦大学王炜团队开发荧光L-氨基酸探针，揭示毛螺菌科与宿主免疫和平共处机制
肠道微生物群因难以培养和可视化而常被称为"黑暗物质"，近年来基于原位代谢标记和成像的技术发展使其研究有了长足进步。肠道微生物在生理和病理方面扮演着多样化的角色，特定功能通常由特定的微生物亚群执行，因此对特定细菌群体的选择性标记对于研究微生物群相关功能至关重要。此外，选择性标记探针的开发能够增强我们对微生物组结构和分子多样性的理解。
荧光D-氨基酸(FDAA)探针作为一种通用标记剂，为了解肠道微生物的活动和生物地理提供了宝贵见解。FDAA通过L,D-转肽酶或D,D-转肽酶分别标记肽聚糖茎肽的第4位或第5位氨基酸，利用这些转肽酶在肽聚糖合成中的底物多样性，能够覆盖超过80%的肠道微生物。
近期，复旦大学王炜团队在Angewandte Chemie International Edition期刊上发表了题为Unusual MurC Ligase and Peptidoglycan Discovered in Lachnospiraceae Using a Fluorescent L-Amino Acid Based Selective Labeling Probe的研究论文，该研究探索了使用荧光L-氨基酸(FLAA)标记肽聚糖的可能性，并发现它可能为特定细菌群体提供选择性标记。
文章要点
1) 研究者设计了荧光L-氨基酸探针。该研究团队发现该探针可以选择性地在体内标记鼠肠道微生物组中的毛螺菌科（Lachnospiraceae）。通过与不同荧光团的FDAA同时标记证实，FLAA的标记位点确实是肽聚糖。此外，用突变溶菌酶处理后，FALA标记显著减弱，进一步确认了肽聚糖是标记靶点。
2) 发现特异性标记机制。通过荧光激活细胞分选(FACS)和16S rDNA测序，研究者确定被标记的细菌主要属于毛螺菌科科，包括Roseburia、Lachnospiraceae_NK4A136和Lachnoclostridium属。荧光原位杂交(FISH)验证了FLAA标记与这些细菌属的高度重合。FLAA探针通过结合PGN茎肽1号位氨基酸（L-丙氨酸替代位点）选择性标记毛螺菌科，其标记依赖该菌特有的MurC酶（UDP-N-乙酰胞壁酸-L-丙氨酸连接酶）对非天然氨基酸的耐受性。 图1 通过 FLAA 对小鼠肠道微生物群进行体内标记
3) X射线晶体学分析揭示了RfMurC的结构特点。与其他细菌的MurC相比，RfMurC的内部空间明显扩大，可能解释了其对非典型底物的耐受性。结构比较表明，虽然UDP结合区域和ATP结合区域与其他MurC相似，但氨基酸结合区域显著不同。这种独特的结构特征使RfMurC能够接受多种不同的氨基酸作为底物，从而导致了不寻常的肽聚糖结构。
4) 阐明免疫调控新机制。这些含有非丙氨酸氨基酸的肽聚糖结构对宿主免疫系统的激活作用明显降低。这一发现表明，毛螺菌科通过产生具有非典型肽聚糖结构的细胞壁，可能降低宿主对其的免疫识别，为高丰度共生菌与宿主和谐共存提供了一种新的机制。
小结
该研究开发了能够在家族水平上选择性标记肠道细菌的探针，通过利用细菌肽聚糖茎肽中的氨基酸多样性，成功标记了哺乳动物肠道微生物组中最大的科之一——毛螺菌科。这一工具对于探索该菌群在肠道中的空间分布和生理功能具有重要价值，特别是考虑到毛螺菌科在肠道微生物组中的特殊作用，如影响放疗后的存活率、抗PD-1免疫治疗的反应以及抑制结直肠癌的进展等。最后，含有非丙氨酸氨基酸的肽聚糖对NOD受体激活的减弱，提出了宿主免疫系统对共生微生物耐受的新机制。与脂多糖和鞭毛蛋白对TLR的"沉默识别"类似，这种非典型肽聚糖可能代表另一种微生物-宿主相互作用的方式，使免疫系统能够区分共生菌和病原菌产生的分子模式。
参考文献
Yahui Du et al., Unusual MurC Ligase and Peptidoglycan Discovered in Lachnospiraceae Using a Fluorescent L-Amino Acid Based Selective Labeling Probe. Angewandte Chemie International EditionDoi: 10.1002/anie.202503049
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