Le idrolasi dei sali biliari modellano il paesaggio degli acidi biliari e limitano la crescita di Clostridioides difficile nell'intestino murino

Nature Microbiology volume 8, pagine 611–628 (2023) Citare questo articolo

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Gli acidi biliari (BA) mediano la diafonia tra cellule umane e microbiche e influenzano le malattie, inclusa l'infezione da Clostridioides difficile (CDI). Mentre le idrolasi dei sali biliari (BSH) modellano il pool di BA deconiugando i BA coniugati, le basi per la loro selettività del substrato e il loro impatto su C. difficile rimangono sfuggenti. Qui esaminiamo la diversità dei BSH nei commensali intestinali Lactobacillaceae, che sono comunemente usati come probiotici, e in altri membri del microbioma intestinale umano. Individuiamo strutturalmente un ciclo che predice le preferenze di BSH per i substrati di glicina o taurina. È stato dimostrato che i BSH con specificità variabili limitano la germinazione e la crescita delle spore di C. difficile in vitro e la colonizzazione in modelli preclinici in vivo di CDI. Inoltre, i BSH rimodellano il pool di acidi biliari coniugati microbici (MCBA) nell’intestino murino e questi MCBA possono limitare ulteriormente la virulenza di C. difficile in vitro. Il riconoscimento dei BA coniugati da parte dei BSH definisce il pool di BA risultante, inclusi gli MCBA espansivi. Questo lavoro fornisce approfondimenti sulle basi strutturali dei meccanismi BSH che modellano il panorama BA e promuovono la resistenza alla colonizzazione contro C. difficile.

Gli acidi biliari (BA) sono metaboliti sintetizzati dall'ospite e di derivazione microbica che supportano la salute intestinale e l'omeostasi fornendo un'impalcatura per la diafonia e l'adattamento ospite-microbioma1,2. I recettori BA codificati dall'ospite riconoscono i BA come molecole di segnalazione per regolare l'immunità dell'ospite3, il metabolismo4 e i ritmi circadiani5,6. I BA modellano anche il microbiota, dove taxa specifici che mostrano resistenza allo stress biliare ospitano meccanismi per sopravvivere all’esposizione ai BA7,8. L’influenza dei BA sul microbiota è ricambiata dalla trasformazione microbica dei BA per stabilire la complessità chimica del pool intestinale di BA9. Il mosaicismo risultante è un segno distintivo della salute dell'ospite e dipende dall'attività collettiva degli enzimi che alterano BA codificati dal microbioma10.

Le idrolasi dei sali biliari (BSH) comprendono una famiglia diversificata di enzimi microbici che catalizzano la trasformazione critica del BA11. I BA coniugati primari sintetizzati nel fegato, come i tauro e glicoconiugati dell'acido colico (TCA, GCA), sono deconiugati dai BSH per generare acido colico (CA) (Fig. 1a; i nomi e le abbreviazioni dei BA sono riassunti nella Fig. 1). Questa reazione d'avanguardia funge da "guardiano" per le successive trasformazioni di BA che trasformano i BA primari in BA secondari (ovvero, acido desossicolico (DCA) formato dalla 7α-deidrossilazione di CA da parte di batteri che codificano l'operone bai)1,11.

a, Panoramica del metabolismo della BA utilizzando la CA come esempio. I BA vengono sintetizzati e coniugati con una taurina o una glicina (T/GCA) dall'enzima epatico Baat. I BA coniugati sono deconiugati dai BSH, consentendo trasformazioni come la 7α-deidrossilazione codificata dall'operone bai per generare BA secondari come i DCA. I BA deconiugati possono essere riconiugati per produrre MCBA come Tyr-CA. b, L'albero filogenetico delle Lactobacillaceae BSH è stato assemblato da 84 cluster BSH. I due cladi principali si distinguono per i rami neri e blu. Il nome di ciascun cluster indica la specie che codifica BSH, con gli strati di metadati interni che indicano lo stile di vita e la fonte di isolamento82. I cunei beige nello strato esterno dei metadati indicano i BSH clonati per la caratterizzazione. c, mappa termica dell'attività BSH attraverso BA coniugati. Il clade evidenziato in blu mostra la preferenza per i BA coniugati con taurina. I diamanti in b e c indicano le strutture cristalline BSH qui presentate. I valori rappresentano l'attività specifica media (n = 3–4). Le relazioni filogenetiche tra BSH si basano su sequenze di aminoacidi. d, Sovrapposizione delle strutture cristalline tetrameriche dell'enzima BSH che preferiscono la taurina e la glicina presentate qui.

Dati di origine

La disregolazione della biosintesi del BA e dell'attività del BSH è stata direttamente implicata nell'obesità12, nel cancro13, nelle malattie infiammatorie intestinali3 e nella resistenza alla colonizzazione contro agenti patogeni tra cui Clostridioides difficile14,15,16,17,18. L’infezione da C. difficile (CDI) è un importante problema di sanità pubblica difficile da trattare con gli antibiotici convenzionali19. Anche dopo un ciclo di vancomicina o fidaxomicina, rimane un elevato tasso di recidiva (~30%)20,21, rendendo il trapianto di microbiota fecale (FMT) l'ultima linea di trattamento22. Sebbene le FMT possano trattare le CDI ricorrenti (rCDI), le conseguenze a lungo termine rimangono poco chiare, rendendo attraente un approccio terapeutico mirato per ragioni di sicurezza ed efficacia. La suscettibilità alla CDI è prevalentemente guidata da perturbazioni indotte dagli antibiotici sul microbiota intestinale con conseguente perdita di resistenza alla colonizzazione23,24. Forti evidenze suggeriscono che il metabolismo microbico dei BA è un importante meccanismo di resistenza alla colonizzazione contro C. difficile25, poiché l’uso di antibiotici riduce i BSH, aumentando i BA coniugati e diminuendo i BA secondari17.