Gut microbial metabolism of 5-ASA diminishes its clinical efficacy in inflammatory bowel disease

基因组 炎症性肠病 失调 微生物群 肠道菌群 生物 疾病 医学 生物信息学 队列 计算生物学 免疫学 内科学 遗传学 基因
作者
Raaj S. Mehta,Jared R. Mayers,Yancong Zhang,Amrisha Bhosle,Nathaniel R. Glasser,Long H. Nguyen,Wenjie Ma,Sena Bae,Tobyn Branck,Kijun Song,Luke Sebastian,Julián Ávila-Pacheco,Hyuk‐Soo Seo,Clary B. Clish,Sirano Dhe‐Paganon,Ashwin N. Ananthakrishnan,Eric A. Franzosa,Emily P. Balskus,Andrew T. Chan,Curtis Huttenhower
出处
期刊:Nature Medicine [Springer Nature]
卷期号:29 (3): 700-709 被引量:45
标识
DOI:10.1038/s41591-023-02217-7
摘要

For decades, variability in clinical efficacy of the widely used inflammatory bowel disease (IBD) drug 5-aminosalicylic acid (5-ASA) has been attributed, in part, to its acetylation and inactivation by gut microbes. Identification of the responsible microbes and enzyme(s), however, has proved elusive. To uncover the source of this metabolism, we developed a multi-omics workflow combining gut microbiome metagenomics, metatranscriptomics and metabolomics from the longitudinal IBDMDB cohort of 132 controls and patients with IBD. This associated 12 previously uncharacterized microbial acetyltransferases with 5-ASA inactivation, belonging to two protein superfamilies: thiolases and acyl-CoA N-acyltransferases. In vitro characterization of representatives from both families confirmed the ability of these enzymes to acetylate 5-ASA. A cross-sectional analysis within the discovery cohort and subsequent prospective validation within the independent SPARC IBD cohort (n = 208) found three of these microbial thiolases and one acyl-CoA N-acyltransferase to be epidemiologically associated with an increased risk of treatment failure among 5-ASA users. Together, these data address a longstanding challenge in IBD management, outline a method for the discovery of previously uncharacterized gut microbial activities and advance the possibility of microbiome-based personalized medicine. A novel multi-omics workflow, combining gut microbiome metagenomics, metatranscriptomics and metabolomics, enabled the identification of the microbial pathways responsible for the degradation of the immunomodulatory drug 5-ASA in the gut of patients with inflammatory bowel disease.
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