广泛分布的基因簇可以弥补人科中尿苷的流失
亮点
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尿素酶缺乏小鼠的微生物群耗竭会导致严重的高尿酸血症
摘要
大约15%的美国成年人体内尿酸浓度超过其溶解度极限，这与痛风疾病有因果关系。在大多数哺乳动物中，尿酸的排出由尿苷酶促进。然而，人类尿素是一个伪基因，在人科进化早期就被失活了。尽管早已知道肠道中尿酸被排除，但肠道微生物群在高尿酸血症中的作用尚未被研究。我们鉴定出一个广泛分布的细菌基因簇，编码尿酸降解的途径。稳定同位素追踪表明肠道细菌将尿酸代谢为黄嘌呤或短链脂肪酸。尿素酶缺乏小鼠的微生物群消融会导致严重的高尿酸血症，而针对厌氧虫的抗生素则增加了人类痛风的风险。这些数据揭示了肠道微生物群在尿酸排泄中的作用，并凸显了针对微生物组的治疗方法在高尿酸血症中的潜力。
图形摘要
简介
尿酸是哺乳动物嘌呤降解的中间体。在大多数哺乳动物中，尿酸通过尿酸氧化酶（尿苷酶）转化为自由可溶的杂囊素，然后通过肾脏排出。然而，在人科进化早期，尿素基因发生了渐进性突变，导致其活性降低，直到尿素功能丧失。1虽然尿症假生成可能对我们的祖先有益，1,2,3在现代，这已成为一种负担。约有14.6%的美国人口患有高尿酸血症（以血浆尿酸水平>6.8 mg/dL [> 0.4 mM]定义），3.9%的人口有痛风的临床特征，痛风是一种由尿酸结晶沉降引起的疼痛炎症性关节炎。4痛风的治疗包括抑制黄嘌呤氧化酶——在尿酸上游的尿酸代谢途径——或阻断尿酸在近端肾小管再吸收的药物。大多数这些药物要么效果差，要么依从性差，要么副作用难以忍受，因此需要新的痛风疗法。
三条独立证据表明肠道是人类尿酸排出的重要部位。首先，健康个体的放射性同位素研究显示，约三分之一的尿酸是从肠道排出的;在肾病患者中，这一比例上升至约2/3（见图1A）。5其次，肠道/肾脏转运蛋白ABCG2的变异会降低肠道尿酸的消除，6ABCG2突变是高尿酸血症和痛风的风险因素。7,8第三，有大量文献支持通过肠道细菌代谢排出草酸的平行过程。9某些菌株，如草酸菌菌，会在肠道内消耗草酸盐，从而限制肾结石的形成。10虽然人们认为肠道中的细菌会将尿酸分解成被宿主吸收并排出的产物，5肠道共生菌对尿酸的代谢尚未被研究。
图1 厌氧尿酸代谢在人类肠道细菌中普遍存在
本文报告，大量肠道细菌通过厌氧方式消耗尿酸，将其转化为黄嘌呤或乳酸，以及短链脂肪酸（SCFAs）、醋酸盐和丁酸盐。转录谱和遗传学揭示了一个基因簇，该基因簇是将尿酸转化为SCFAs所必需的，并且广泛分布于系统发育上较远的细菌类群中。我们发现，人类肠道细菌在遗传和化学诱导的小鼠模型中可以补偿尿素的流失，而针对厌氧菌的抗生素（能消融肠道菌）则增加了人类患痛风的风险。我们的研究发现揭示了肠道细菌参与宿主尿酸稳态的未知机制。
结果
厌氧尿酸代谢在肠道细菌中很普遍
虽然尿酸代谢已知发生在需氧细菌中，但厌氧性尿酸代谢仅在少数从土壤中分离出的降解嘌呤细菌中被描述。早期对Clostridium cylindrosporum的生化研究确立了厌氧嘌呤代谢相关的酶活性11,12,13,14,15;然而，支持该普里诺分解途径的基因身份尚不清楚。16,17,18因此，目前尚无标记基因可用来查询肠道细菌基因组以检测尿酸代谢。
为了鉴定摄入尿酸的肠道细菌，我们用尿酸培养了系统发育多样的人类肠道菌株库（图1B），并利用液相色谱-质谱（LC-MS）通过同位素稀释定量剩余的尿酸（图1C）。我们首先验证了该检测方法，显示已知的降解嘌呤细菌（C. cylindrosporum 和 Gottschalkia purinilytica)19摄入尿酸，而拟杆菌（Bacteroides thetaitaomicron）则不消耗（图1D）。接着，我们发现肠道细菌中尿酸摄入极为普遍，我们图书馆中超过五分之一（46/206）菌株在厌氧生长48小时后摄入了>50%的尿酸（见图1E）。尿酸摄入分布在4个门类（放射菌、坚孔门、歧杆菌和变形菌），但乳杆菌科明显缺失。我们在限制碳水化合物条件下，使用扩展的菌株库重复了该筛选（见图S1A）。第二筛查结果：（1）大多数第一筛查生物的确认发现;（2）识别出更多摄入尿酸的菌株，使检测总菌株达到59/240种;（3）发现某些菌株在不含碳水化合物的情况下消耗更多尿酸（见图S1B）。
图S1 碳水化合物对尿酸代谢及黄嘌呤检测的影响，相关于图1
（A）细菌在富含碳水化合物的培养基中培养48小时，尿酸通过LC-MS定量。每个点代表一个细菌菌株，生物体按门类分组。
（B）在有限碳水化合物培养基中降解尿酸的细菌，但在碳水化合物补充培养基中无此降解。有品种显示，在碳水化合物补充介质中摄入<50%尿酸，在碳水化合物有摄入>50%尿酸。对于（A）和（B），数据代表单一实验的结果。
（C）在两次筛查实验的上清液中，均通过LC-MS在48小时后定量了黄原和尿酸。仅显示摄入≥50%尿酸的菌株。数据代表单一实验的结果。
通过结合两个筛选结果，我们发现即使是近缘细菌，尿酸摄入量也存在很大差异（见图1F）。我们培养了部分相关物种的尿酸，确认即使在密切相关的细菌谱系内，尿酸代谢也并非严格保守（见图1G）。虽然我们不能排除实验室适应可能导致尿酸代谢丧失，但我们注意到一些类型菌株——更可能高度传代——仍保留尿酸代谢活性。这些发现表明，在细菌进化过程中，摄入尿酸的能力可能已经多次获得或失去。
肠道细菌将尿酸转化为黄碱和短链脂肪酸
在发现了大量消耗尿酸的肠道细菌后，我们接着探讨了这些细菌中尿酸的代谢命运如何？我们发现某些菌株在摄入尿酸时会在上清液中积累黄嘌呤（见图S1C）。然而，这些产黄氨酸菌株仅占尿酸消费者的一小部分，表明许多细菌还会产生其他尚未被识别的代谢物。
接下来，我们在产黄碱和非产株中使用均匀标记的[13C5]-尿酸（图2A）。随着时间推移，产黄碱菌株Blautia属KLE 1732号被消耗了[13C5]-尿酸和黄嘌呤的M+5等位分布在培养上清液中积累（图2B）。相比之下，非产黄氨酸菌株C. sporogenes ATCC 15579 则食用[13C5]-尿酸，M + 5黄碱未积聚（图2C）。相反，我们检测到乙酸盐和丁酸盐的M+2同拓率增加，表明孢子梭菌将尿酸转化为SCFAs（图2C）。M + 2 醋酸酯也出现在 Blautia 属中。但未标记和标记尿酸补充培养物的水平均等效（图2B），反映了生长过程中醋酸酯内的自然同位素丰度（见图S2A）。因此，对于所有测试的菌株，我们从带标记尿酸生长时的等拓率中扣除了等拓率。我们的结果确定了肠道细菌中尿酸代谢的两条途径：（1）尿酸转化为黄嘌呤，（2）尿酸更好的分解，其中碳被引导至乳酸及SCFAs（醋酸盐和丁酸盐）（见图2D和2E）。通过比较富含和更有限培养基中的尿酸代谢，我们发现营养物质的可用性对系统发育多样性细菌尿酸摄入的影响程度不同（见图S2B）。
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）稳定同位素追踪概述。细菌在含有未标记或均匀标记的丰富培养基中进行培养。13C5尿酸和代谢物在指定时间点通过LC-MS定量。
（B和C）当（B）Blautia属KLE 1732或（C）胞子梭菌ATCC 15579与标记或未标记的尿酸一起培养。
（D）在所有九种细菌的无细胞培养上清液中检测到的标记底物和产物。
（E）尿酸被转化为黄嘌呤或乳酸，SCFAs则是醋酸盐和丁酸盐。对于（B）和（C），箭头表示所指化合物的预期保留时间。对于（C），丁酸盐前0.3分钟的洗脱峰值[M + 2]被鉴定为异丁酸盐[M + 2]。对于（B）和（C），实验以三倍形式进行，并展示了代表性数据。对于（D），数据表示n=3次生物复制±平均数。品种包括：Blautia属。KLE 1732，小螺旋菌属ATCC 27758，肠道锁孢杆菌WAL-7855，溃疡性梭菌12-1B，糖溶乳菌属WM1，拉克诺螺旋菌科1_4_56FAA，蓓球菌属ATCC 29149，气球菌Collinsella ATCC 25986，孢子梭菌属ATCC 15579。GAM，岐阜无氧介质。
另见图S2。
图S2 富培养基中短链脂肪酸的产生及营养物质可用性对尿酸代谢的影响，相关图2
（A）细菌在富含培养基中培养，辅以未标记尿酸，并在指定时间点用LC-MS定量短链脂肪酸。
（b）摄入尿酸的菌株可在富培养基（GAM）或由M9盐、维生素溶液、酵母提取物和色氨酸组成的有限培养基中培养。培养基中补充了标记或未标记的尿酸，并在指定时间点通过LC-MS定量代谢物。对于（A）和（B），菌株包括：Blautia属。KLE 1732，Coprococcus Comes ATCC 27758，Collinsella aerofaciens ATCC 25986，Enterocloster clostridioformis WAL-7855，Enterococcus faecalis TX2137，Fusobacterium ulcerans 12-1B，Lacrimispora saccharolytica WM1，Lachnospiraceae bacterieum 1_4_56FAA，Ruminococcus gnavus ATCC 29149，以及 Clostridium sporogenes ATCC 15579。数据表示n=3次生物复制的平均值，±SDs。
识别厌氧性尿酸代谢所需的可尿酸诱导基因簇
为了识别与尿酸转化为SCFAs有关的基因，我们在富培养基中培养了三种系统发育上不同的生物（C. sporogenes、L. saccharolytica和C. aerofaciens），并进行了RNA测序（RNA-seq）分析（见图3A）。我们发现了五个可诱导尿酸的基因（ygeX、ygeY、ygeW、ygfK和ssnA），这些基因在三种诱导最为强烈的基因（图3B）中共享（见图3C;表S1）并映射到三种细菌共享的离散基因簇（图3D）。值得注意的是，这些基因的注释来源于大肠杆菌，它们编码的酶活性在家族层面可预测，但底物特异性和细胞角色尚不清楚。这些基因产物的推定注释包括氨裂解酶（YgeX）、肽酶（YgeY）、氨甲酰转移酶（YgeW）、氧化还原酶（YgfK）和酰多水解酶（SsnA），这些酶可能还原和切断尿酸中的键。这些发现揭示了一组保守的尿酸诱导基因，这些基因在不同肠道细菌分类单元中共享。
图3 RNA-seq显示肠道细菌中可诱导尿酸的基因簇
（A）实验设计概述。三种生物（孢子芽链、糖化链杆菌和气化链球）在富培养基中培养，含无补充尿酸，并通过RNA测序分析转录组。
（B）维恩图显示三种生物均显著诱导基因（
发现率[FDR]修正p值[q值]<0.05，折叠变化>4）。
（C）火山图显示三种生物体基因调控差异。截止值包括FDR修正后的p值（q值）<0.05和|折变|> 4.每个点代表一个基因。蓝点表示诱导的基因，橙色点表示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及RNA测序覆盖率。对于RNA测序实验，每种条件分别进行了三次生物复制。对于（D），显示代表性数据。
孢子细胞癌的遗传学和稳定同位素追踪显示，突变要么部分（ygeX、pbuX、hyuA、ygeW、ygfK、ssnA、ygeY）或（xdhAC）阻断尿酸代谢（见图4A和4B）。在任何突变菌株的培养上清液中均未检测到标记醋酸酯和标记丁酸酯（图4B）。这些发现提供了证据，表明囊孢子癌中尿酸诱导基因对于尿酸转化为SCFAs（包括醋酸和丁酸盐）至关重要。
图4 尿酸诱导基因是将尿酸转化为短链脂肪酸所必需的
（A） 单个突变体（用红色三角形表示）在孢子菌中通过ClosTron系统生成。
（B）野生型和突变C. sporogenes菌株中的稳定同位素追踪。对于（B），数据表示n=3次生物复制的平均±标准差。
尿酸诱导基因广泛分布于人类肠道细菌中
系统发育分析显示，尿酸代谢基因广泛分布于肠道细菌中，分布于4个门、19个科和21个属（图5A;表S2）。尿酸代谢基因的存在与尿酸代谢能力高度一致，并解释了图1G中系统发育相关细菌在尿酸消耗上的差异（表S2）。我们还发现这些尿酸代谢基因在广泛的分类谱系中与保守的基因簇相匹配（图5B）。那些不携带基因但摄入尿酸的细菌包括：（1）先前研究过的降解嘌呤细菌（Clostridium cylindrosporum 和 Gottschalkia purinilytica），已知能将尿酸转化为乙酸，但可能涉及不同的基因组;（2）我们发现将尿酸转化为黄碱的细菌（见图 S3A）。这些产黄素细菌携带假定的黄碱脱氢酶基因（图S3B），我们得出结论，这些菌株很可能通过黄素脱氢酶在单一步内将尿酸转化为黄素。
图5 尿酸基因簇在消化尿酸的肠道细菌中得以保守
（A） 本研究中筛查尿酸代谢的菌株的RpoB系统发育树。仅包含那些基因组组装好的菌株（n = 187）。类群根据门进行着色。内侧蓝色阴影轨迹代表使用C. sporogenes蛋白作为查询，通过BLASTp搜索确定的蛋白质同源蛋白的氨基酸同源物百分比。最外侧的轨道代表每个菌株消耗的尿酸百分比。尿酸摄入量仅显示尿酸摄入量≥50%的菌株。下表显示了基因阳性或阴性细菌数量（7个基因中≥5个）与尿酸摄入阳性或阴性（50%尿酸摄入截止≥）。通过分析不同基因截止值下的敏感性和特异性，确定了7个基因中≥5个基因的阈值（表S2）。
（B）来自代表性消耗尿酸菌株的尿酸代谢基因的基因组背景，对应于（A）中的黑箭头。
另见图S3。
（A） 细菌在切碎肉培养基中培养，添加标记或未标记的尿酸，并在指定时间点通过LC-MS定量代谢物。数据表示n=3次生物复制的平均值，±SDs。
（B）分析这些食用黄蛋白的细菌基因组序列，发现了一个保守的基因簇编码黄氨酸脱氢酶。
大肠杆菌通过厌氧方式将尿酸转化为醋酸
大肠杆菌基因组中包含了我们研究中大多数可诱导尿酸基因的基因簇。此前已被证明，大肠杆菌在厌氧条件下以需要形成物的机制消耗尿酸，涉及多个基因，包括aegA、ygfT和ygeV。20值得注意的是，ygfT和ygeV基因与我们研究中识别的ygeW、ygeX、ygeY、hyuA、ygfK和ssnA基因对应到同一基因座（图6A）。然而，这些后者基因在大肠杆菌尿酸代谢中的作用尚未被研究。
图6 大肠杆菌尿酸代谢的营养依赖性及基因在尿酸转化为醋酸中的作用
（A）大肠杆菌尿酸代谢基因的基因组背景。黑色三角形表示已研究过的基因，红色三角形表示本研究中靶向的基因。
（B）在碳水化合物充足（CHO）或CHO（右）条件下尿酸代谢筛查结果。菌株按剩余尿酸量排序，大肠杆菌用红点表示。
（C）大肠杆菌在不同营养条件下的尿酸代谢。
（D）野生型和突变大肠杆菌株的稳定同位素追踪。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。标记底物和产物通过LC-MS进行定量。
（E） YgfK及两种基因产物（AegA和YgfT）的Pfam结构域，此前已被证明参与大肠杆菌的尿酸代谢。
（F）ygfK、aegA和ygfT在尿酸补充与未补充条件下的相对表达。介质中残留的尿酸可见于上面板。对于（B），两个面板中的数据代表每个条件下单一实验的结果。对于（C）、（D）和（F），数据表示n=3次生物复制的平均±SD。
另见图S4。
尽管大肠杆菌含有尿酸代谢基因，但在初步筛选条件下，未被鉴定为消耗尿酸的细菌（图6B）。为测试大肠杆菌在无氧条件下是否消耗尿酸，我们在11种不同的厌氧培养基中培养MG1655菌株，并补充尿酸，并通过LC-MS监测尿酸的变化。与我们初步筛查结果一致，超大规模培养基中尿酸摄入量不大（图6C）。然而，我们识别出支持尿酸摄入的四种介质（图6C）。我们的发现表明，大肠杆菌消耗尿酸，而营养物质的可用性对这一表型有显著影响。
接着，我们在大肠杆菌MG1655中创建了无标记缺失突变体，并利用稳定同位素追踪量化了改良岐阜厌氧培养基（GAM）中生长过程中的尿酸代谢。在这些条件下，野生型大肠杆菌菌株在48小时内消耗了所有尿酸，培养上清液积累了M+2醋酸盐（图6D）。相比之下，突变株在尿酸代谢中部分受阻，且无培养物积累了M+2醋酸酯（见图6D）。这些发现表明，在某些营养条件下，大肠杆菌通过涉及ygeW、ygeX、ygeY、hyuA、ygfK和ssnA的途径将尿酸降解为醋酸。
此前一项研究确认aegA和ygfT是参与大肠杆菌中甲酸依赖性尿酸代谢的基因。20这两个基因编码假想的氧化还原酶，这些酶具有铁硫簇结合结构域和吡啶依赖性的氧化还原酶结构域（图6E）。AegA和YgfT被提出接受甲酸脱氢酶中的电子并将其转移到NADP或直接到尿酸中。+20我们发现YgfK还共享AegA和YgfT中三个结构域中的两个（Fer4_20和Pyr_redox_2），表明这三种酶在不同营养条件下可能发生类似反应。我们在GAM的生长过程中发现了这一点。M，尿酸高度诱导ygfK和ygfT的表达，但对aegA表达的影响有限（见图6F）。这些结果表明，在这些条件下，ygfT和ygfK很可能都参与尿酸代谢，而aegA则不参与。
比较两种兼性厌氧菌（大肠杆菌和粪肠球菌）显示，尿酸仅在厌氧条件下被消耗（见图S4）。这些发现，加上大多数携带尿酸基因的菌株是兼性或专性厌氧菌，使我们推断研究中识别的基因很可能是厌氧尿酸代谢特异性。
图S4 粪肠球菌和大肠杆菌在厌氧生长过程中消耗尿酸，但不消耗需氧生长，与图6相关
粪肠球菌TX2137和大肠杆菌MG1655在富含培养基中培养，可能在厌氧腔室或有氧高氧气培养。培养基补充了未标记尿酸，并在特定时间点通过LC-MS定量尿酸和黄嘌呤。数据表示n=3次生物复制的平均值，±SDs。
肠道细菌在小鼠中补偿尿素缺乏
与人类不同，小鼠拥有功能性尿苷酶（也称为尿酸氧化酶[Uox]），野生型小鼠的血浆尿酸含量低于人类。21为了研究微生物组在高尿酸血症中的作用，我们使用了两个小鼠模型：（1）携带Uox基因靶向突变的小鼠22以及（2）用氧酸对尿素的化学抑制（图7A）。Uox 淘汰（Uox−/−小鼠患有高尿酸病，肾脏中会积累尿酸结晶，且早死。22为克服围产期致死性，我们在繁殖期间及断奶后在饮用水中添加了异嘌醇（一种黄嘌呤氧化酶抑制剂）（图7A）。22我们还确认了之前研究的结果，23研究表明，在血液收集管中加入黄氨酸氧化酶抑制剂（别嘌醇）可以限制体外尿酸的错误升高（见图S5A）。因此，我们在所有小鼠实验中都采用了这种采样方法。
图7 肠道菌群补偿尿道酶的丧失
图S5 与图7相关的常规和尿素酶缺乏小鼠的研究
为了测试肠道微生物群是否能够补偿尿素缺乏，我们对雄性和雌性Uox进行了治疗−/−小鼠及其杂合子（Uox+/−）同窝鼠使用抗生素对照，并测量血清和尿液中的尿酸浓度（图7B）。别嘌醇治疗对Uox的血清和尿酸有适度影响−/−小鼠（图7C和S5B）;但抗生素治疗的Uox−/−小鼠生病并发展为严重高尿酸血症（图7C）。抗生素治疗的Uox中，肠内尿酸含量在盲肠含量上升−/−显示细菌耗竭降低了肠道尿酸代谢（图7D）。抗生素给药后3天内，尿酸排泄逐渐减少，表明肾功能受损（见图S5B）。确实，抗生素治疗的Uox−/−小鼠表现出急性肾损伤的证据，血浆肌酐浓度显著升高（见图7E）和尿素（见图S5C）。血浆肌酐和尿素的升高反映了急性肾损伤，急性肾损伤与急性高尿酸血症的结合让人联想到人类肿瘤溶解综合征中出现的急性尿酸肾病。22
来自两家Uox的盲肠成分+/−以及Uox−/−小鼠体外摄入尿酸，将其转化为多种SCFAs的混合物（见图7F）。这些发现表明，这些小鼠的微生物群具备消耗尿酸并将其转化为类似于体外细菌检测到的SCFAs的能力（见图2D）。从Uox的盲肠内容物中读取霰弹枪宏基因组组装+/−以及Uox−/−小鼠鉴定出八个属于三个不同细菌家族的contig，每个家族都包含尿酸基因簇（图S5D和S5E）。这表明携带尿酸基因簇的细菌存在于这些小鼠的微生物群中。然而，Uox之间的基因簇丰度或表达并无显著差异−/−以及Uox+/−小鼠（图S5F和S5G）。因此，我们的宏基因组学分析确定，编码尿酸基因的细菌存在于殖入Uox小鼠盲肠的微生物群中，尽管Uox小鼠的基因丰度和表达并无差异+/−以及Uox−/−老鼠。
接下来，我们采用了广泛使用的化学诱导高尿酸血症模型25更具体地将细菌尿酸代谢与宿主体内的尿酸水平联系起来。在无菌小鼠中，氧酸饲料诱导血浆和尿液尿酸及血浆肌酐适度升高（见图S6A和S6B）。相比之下，氧化酸和尿酸的饮食会诱发严重的高尿酸血症、高尿尿症以及血浆肌酐升高（见图S6C和S6D）。后者模型在尿素酶缺乏小鼠中表现型微生物群枯竭。
图S6 与图7相关的神经生物小鼠化学诱导高尿酸血症的研究
随后，我们比较了无菌小鼠和单一定殖的野生型C. sporogenes或其黄铁脱氢酶（xdhAC）突变体，后者体外不消耗尿酸（见图4B）。小鼠在定植前一周接受对照饮食，随后在定植前一周改为食草酸食物（见图7G）。尽管该饮食诱发轻度高尿酸血症，我们发现野生型在2周后血浆和盲肠内容物中的尿酸水平均显著下降，较xdhAC定植小鼠为高（见图7H和7I）。小鼠组间尿酸水平无显著差异（见图S6E）。接下来，我们比较了被定殖的gnotobiotic小鼠与由食尿酸细菌或系统发育匹配的非食尿酸细菌组成的细菌群落（见图7J）。这些小鼠先喂食对照饮食6天，随后改为含氧酸和尿酸的饮食。与消费群落定殖的小鼠相比，血浆和盲肠内容物中的尿酸含量（见图7K和7L）以及尿液中的尿酸水平（图S6F）均低于非消费定植小鼠。这些实验共同证明，肠道中的细菌尿酸代谢会降低宿主体内的尿酸水平。
针对厌氧肠道微生物的抗生素会增加人类痛风的风险
鉴于我们的发现，抗生素治疗会诱发Uox严重的高尿酸血症−/−接着，我们询问了抗生素治疗是否可能是人类痛风的风险因素。为此，我们比较了两种常用口服抗生素：（1）克林霉素，已知能靶向需氧和厌氧微生物，（2）三美沙脄/磺胺甲氧唑（Bactrim），靶向需氧微生物。我们假设克林霉素可能独特地破坏导致尿酸降解的肠道细菌，因为它们是厌氧微生物。我们使用2015年至2019年间从斯坦福医疗系统收集的电子健康记录进行了回顾性队列研究。我们检查了所有成年患者（无论痛风病史如何），并比较≥口服克林霉素治疗后几年内的发发性痛风诊断率（N = 7,565天）≥与口服Bactrim（N = 23,504天）治疗后几年内的发生率。两组在年龄（53.1岁对53.4岁）、性别分布（59.6%对59.1%女性）和共病疾病（平均共病评分3.2对3.5）上相似（见表S3）。在未配对队列中，接受克林霉素治疗的患者比接受Bactrim治疗的患者更有可能被诊断为痛风（风险比1.18,95%置信区间[CI]，1.04–1.34，p = 0.0091）（见图7M）。在倾向评分匹配后（克林霉素或巴克曲明患者N = 6,573），接受克林霉素治疗的患者痛风诊断风险较巴克曲姆患者增加（风险比1.3,95%置信区间，1.1–1.54，p = 0.0026）（见图7N）。这些发现表明，具有厌氧活性的广谱抗生素破坏厌氧肠道微生物群会增加人类患痛风的风险。
为了探讨微生物群耗竭是否会影响粪便尿酸水平，我们重新分析了食品及相关微生物代谢物（FARMM）研究中的代谢组学数据，探讨饮食在抗生素和聚乙二醇干扰后微生物组代谢物恢复中的作用。26我们发现微生物群耗竭导致粪便尿酸水平显著升高（见图S7A）。在接受纯素或杂食饮食的受试者中，粪便尿酸水平迅速恢复到基线，但那些摄入无纤维合成饮食（仅限肠内营养;EEN）显示恢复过程较长，整个恢复阶段粪尿酸持续升高（见图S7A）。为了探究尿酸基因簇在FARMM研究对象间丰度是否差异，我们使用了gutSMASH27,28利用BiG-MAP识别782个来自人类肠道细菌参考基因组的基因簇，并将研究对象的宏基因组读段映射为107个代表性基因簇。29与喂食杂食或纯素饮食的受试者相比，抗生素治疗后尿酸基因丰度显著降低（见图S7B）。FARMM研究的作者发现，硬壁门的细菌在EEN组中恢复延迟。我们的发现与这一观察一致，表明EEN与杂食/纯素群体之间尿酸基因簇丰度的差异主要由大胆螺门的成员驱动，尤其是Oscillospiraceae、Lachnospiraceae、Peptostreptococcaceae和Clostridiaceae科（图S7C，黄色框）。这些结果表明，微生物组扰动后膳食纤维缺乏会导致肠道尿酸代谢持续失调。
图S7 FARMM研究中受试者尿酸基因簇丰度，与图7相关
讨论
尿酸是地球上
丰富的氮化合物之一，是普林代谢中的关键中间体。30尽管在所有生命领域都能找到需氧尿酸代谢的证据，但厌氧尿酸代谢仅在少数从土壤或海洋沉积物中分离出来的细菌中被研究。31这里我们发现厌氧尿酸代谢在人类肠道微生物群中广泛存在，存在于六大门中四门的约五分之一细菌中。与依赖氧依赖尿苷酶启动尿酸代谢的有氧途径不同，厌氧途径通过未被表征的氨裂解酶、肽酶、氨甲酰转移酶和氧化还原酶的作用来分解尿酸。编码这些酶功能的基因映射到一个保守的基因簇，该基因簇广泛分布在远亲细菌类群中，这些簇对于厌氧尿酸代谢到乳酸和SCFAs至关重要。有趣的是，此前被鉴定为降解嘌呤的Clostridia（如G. purinilytica、G. acidiurici和C. cylindrosporum）并不编码这些基因，16,17,18这表明厌氧尿酸代谢的独特途径在细菌间独立演化。然而，我们研究中识别的尿酸基因高度预测肠道细菌中尿酸代谢活动，表明该基因簇编码肠道厌氧尿酸代谢的主要通路。一项最新研究还鉴定了会降解尿酸的肠道细菌，这也是一组基因，并证明肠道菌群会影响宿主体内的尿酸水平，从而进一步强化了我们的结论。32
在大多数哺乳动物中，嘌呤通过尿苷降解为自由溶解的尿囊素，尿囊通过尿液排出，但尿素在人类进化早期就被失活了。关于尿素被失活的一个著名假说认为，尿素可能是一个节俭（伪）基因。尿里酪失活过程持续近5000万年，失活发生在中新世早期。1值得注意的是，这与全球气候变冷同时发生，雨林逐渐向赤道退去。因此，食果类猿在较冷的冬季经历了饥饿期。小鼠和大鼠的研究显示，尿苷酸的流失或抑制（1）增加果糖脂肪储存，（2）限制脂肪β氧化，（3）刺激糖新生，（4）升高血压。这些研究提供了尿素作为“节俭基因"的证据，其失活促进了祖先在饥饿时期的存活。33我们的结果表明，肠道微生物群在尿素缺失中起补偿作用，使尿酸水平能够稳态控制。这意味着，失去消耗尿酸的细菌可能解释了工业化国家高尿酸血症和痛风的高发率。
我们的研究揭示了肠道微生物群在高尿酸血症和痛风中的作用，这两种疾病是美国人群中常见的疾病。这些结果有两个重要含义。首先，对于易患痛风的患者，应谨慎考虑可能破坏肠道微生物群的抗生素治疗。如果给这些患者使用抗生素，低纤维饮食可能导致肠道尿酸代谢恢复到正常。其次，促进肠道内尿酸代谢的方法是治疗高尿酸患者潜在的重要疗法。基于此，近期研究表明，口服（不可吸收）酶治疗重组尿素酶能降低尿素酶缺乏小鼠的血浆尿酸浓度34并降低健康志愿者的血浆浓度。35尿酸池分布在不同的身体区室，包括血浆、关节、肾脏和肠道，后两者是主要的排泄途径，由双向转运蛋白介导。36据认为肠道尿酸的酶降解会影响尿酸库的平衡，从而减轻整体高尿酸血症。34我们设想，由摄入尿酸的细菌组成的活生物治疗产品也可能成为治疗高尿酸血症和痛风的重要治疗方式。
研究的局限性
尿素酶缺乏的小鼠会出现严重的高尿酸血症，类似于人类的肿瘤溶解综合征。鉴于人科进化过程中尿素逐渐丧失，适应机制很可能调节了尿酸水平。选择食用尿酸的肠道细菌可能是其中一种适应机制;然而，仍需进一步研究以检验尿酸摄入细菌是否在尿酸缺乏哺乳动物中富集，以及微生物菌群失调如何促成高尿酸血症和痛风。我们的发现是，服用厌氧活性抗生素的患者痛风诊断率增加，这支持了细菌在尿酸稳态中起保护作用的观点。然而，我们的纳入标准非常宽泛，患者在年龄、性别、诊断、药物剂量和治疗持续时间上有所不同。尽管纳入标准较宽，接受克林霉素治疗的患者痛风风险较高，倾向评分匹配后风险更高。从这个意义上说，这一发现是稳健的，因为它可以推广到广泛的患者群体。尽管如此，在不同人群和更严格纳入标准下独立测试和验证这些发现仍然非常重要。
更新时间：2026-09-17
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