甘氨酸自由基酶IseG在肠道菌群C、N、S和能量代谢中作用的研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31870049
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0102.微生物生理与生化
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Sulfate and sulfite reducing bacteria (SSRB) use sulfite as the electron acceptor for respiration, producing toxic H2S linked to colon cancer. Taurine is the main source of sulfite in human gut. However, how SSRB obtain sulfite from taurine is a mystery. Our research group recently discovered a novel glycyl radical enzyme that catalyzes the C-S bond cleavage of isethionate. We named this enzyme IseG. Furthermore, the entire metabolic pathway was unraveled: A transaminase converts taurine into sulfoacetaldehyde, which is then reduced by a novel enzyme (named by us as TauF) generating isethionate. We thus solved the crystal structure of IseG with isethionate bound to its active site. With structural information, we were able to identify the critical conserved residues in the active site and find that IseG is prevalent in bacteria, especially SSRB. We propose that bacteria use IseG and TauF for various purposes including carbon, nitrogen, sulfur acquisition and energy production. Based on our previous biochemical and bioinformatics finding, a cross feeding model was proposed: Bifidobacteria obtain nitrogen from taurine and secret isethionate, which is then uptaken and cleaved by SSRB producing sulfite, as their respiration electron acceptor. To demonstrate this, we will clone, express and purify recombinant proteins including IseG, TauF and respective transporters with different origins and characterize them in vitro. In addition, we will use defined media with either taurine or isethionate to cultivate wild type and mutant SSRB, Clostridium and Bifidobacterium. To prove this taurine partaking model, we will perform sequential culturing experiments as well as coinoculation of both bacteria in germ free mice followed by RT-PCR of the stool samples to study the growth of these bacteria in vivo.
硫还原菌无氧呼吸产生硫化氢,是导致结肠癌的因素。其呼吸作用电子受体亚硫酸在肠道中主要来源于牛磺酸,但机理未知。课题组前期发现新的代谢通路:牛磺酸经转氨酶作用产生磺酸乙醛,后经课题组发现并命名的TauF还原成羟乙磺酸,再经课题组发现并命名的首个催化C-S键断裂的甘氨酸自由基酶IseG催化生成乙醛和亚硫酸。课题组解析了IseG底物复合物结构,根据IseG活性中心的关键氨基酸残基和生物信息学研究,发现其在很多细菌中存在。课题组提出了肠道中不同细菌互惠:双歧杆菌摄取牛磺酸的氮,提供羟乙磺酸给含IseG的硫还原菌作为呼吸作用电子受体。课题组拟表达纯化不同物种的IseG和TauF,研究其催化功能和机理;用牛磺酸或羟乙磺酸作为唯一的碳、氮、硫源体外培养肠道菌,研究这类酶的生理功能,并通过体外共培养以及共接种无菌老鼠结合遗传操作的方式来研究这些菌的生态关系,为针对肠道菌群的药物开发提供精准靶点。

结项摘要

课题组严格按照项目申请书的实验设计方案,对甘氨酸自由基酶IseG在肠道菌群C、N、S和能量代谢中的作用开展了全面的研究,发现了一条新的牛磺酸代谢途径:牛磺酸经转氨酶Tpa作用产生磺酸乙醛,后经课题组发现并命名的脱氢酶TauF还原成羟乙磺酸,再经课题组发现并命名的首个催化C-S键断裂的甘氨酸自由基酶IseG催化生成乙醛和亚硫酸。相关工作已经发表在Nature Communications, Biochemical Journal, Applied & Environmental Microbiology, Bioscience Reports等主流学术期刊上。除此之外,我们还发现了多条微生物初级代谢途径,1)阐明了厌氧菌牛磺酸、络氨酸、磺基葡萄糖的降解途径和自由基酶催化机理,为癌症治疗和新药研发提供新靶标;2)发现了微生物嘧啶和嘌呤降解的新通路,开发了基于益生菌的痛风治疗方案;3)解析了噬菌体二氨基嘌呤(Z)完全取代腺嘌呤基因组的合成机制,拓展了Watson-Crick碱基配对原则和生物遗传信息传递中心法则。发现酶促新反应,了解厌氧生物生存的机制,为开发专门针对厌氧细菌的新型抗生素提供靶点和理论实验基础。相关的工作分别发表在Science, Proc Natl Acad Sci, J. Am. Chem. Soc., and ACS catalysis等主流学术期刊上。在本基金的支持下总共发表SCI论文21篇,获得授权专利1项,已申请并进入实审专利4项。培养了一名博士后、三名博士生和十名硕士研究生。工作成果受到全球媒体的广泛关注和专题报道。具有应用价值的知识产权目前正在与企业洽谈授权、转让。

项目成果

期刊论文数量(21)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(5)
An extended bacterial reductive pyrimidine degradation pathway that enables nitrogen release from β-alanine
延长的细菌还原嘧啶降解途径,使氮从β-丙氨酸中释放。
  • DOI:
    10.1074/jbc.ra119.010406
  • 发表时间:
    2019-08
  • 期刊:
    Journal of Biological Chemistry
  • 影响因子:
    4.8
  • 作者:
    Yin Jinyu;Wei Yifeng;Liu Dazhi;Lu Qiang;Ang Ee Lui;Zhao Huimin;Zhang Yan
  • 通讯作者:
    Zhang Yan
A gene cluster for taurine sulfur assimilation in an anaerobic human gut bacterium
厌氧人类肠道细菌中牛磺酸硫同化的基因簇
  • DOI:
    10.1042/bcj20190486
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Biochemical Journal
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Xing Meining;Wei Yifeng;Hua Gaoqun;Li Mengya;Nanjaraj Urs Ankanahalli N;Wang Feifei;Hu Yiling;Zhai Weixiang;Liu Yangping;Ang Ee Lui;Zhao Huimin;Zhang Yan
  • 通讯作者:
    Zhang Yan
Two radical-dependent mechanisms for anaerobic degradation of the globally abundant organosulfur compound dihydroxypropanesulfonate
全球丰富的有机硫化合物二羟基丙磺酸盐厌氧降解的两种自由基依赖性机制
  • DOI:
    10.1073/pnas.2003434117
  • 发表时间:
    2020-07-07
  • 期刊:
    PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA
  • 影响因子:
    11.1
  • 作者:
    Liu, Jiayi;Wei, Yifeng;Zhang, Yan
  • 通讯作者:
    Zhang, Yan
Biochemical Investigation of 3-Sulfopropionaldehyde Reductase HpfD
3-磺基丙醛还原酶 HpfD 的生化研究
  • DOI:
    10.1002/cbic.202100316
  • 发表时间:
    2021-09-03
  • 期刊:
    CHEMBIOCHEM
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    An,Junwei;Wei,Yifeng;Zhang,Yan
  • 通讯作者:
    Zhang,Yan
A transaldolase-dependent sulfoglycolysis pathway in Bacillus megaterium DSM 1804
巨大芽孢杆菌 DSM 1804 中转醛醇酶依赖性磺基糖酵解途径
  • DOI:
    10.1016/j.bbrc.2020.09.124
  • 发表时间:
    2020-12-17
  • 期刊:
    BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Liu, Yinbo;Wei, Yifeng;Zhang, Yan
  • 通讯作者:
    Zhang, Yan

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其他文献

Phenolic-rich lychee (Litchi chinensis Sonn.) pulp extracts offer hepatoprotection against restraint stress-induced liver injury in mice by modulating mitochondrial dysfunction.
富含酚类的荔枝(Litchi chinensis Sonn.)果肉提取物通过调节线粒体功能障碍,为小鼠提供肝脏保护,防止束缚应激引起的肝损伤。
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    Food & Function
  • 影响因子:
    6.1
  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    2.Anqing Municipal Hospital,Anhui Anqing 246003,Ch
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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    --
  • 作者:
    张峤;李军伟;苏万兴;张雁;王宁飞
  • 通讯作者:
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马铃薯母薯等级对植株生长势和结薯大小分布的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    安徽农业科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张雁;高玉亮;蒋兆坤;李葵花
  • 通讯作者:
    李葵花

其他文献

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张雁的其他基金

甘氨酸自由基酶YjjI在DNA修复中作用及其酶促反应机理研究
  • 批准号:
    31570060
  • 批准年份:
    2015
  • 资助金额:
    65.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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