GutBugDB：预测人类肠道微生物介导的生物和异生物分子生物转化的网络资源

2025-03-25 Tue
近年来，人类肠道微生物群（Human Gut Microbiota, HGM）在药物和营养素代谢中的重要作用逐渐被认识到。肠道微生物群不仅影响口服药物的生物利用度，还通过其代谢酶参与药物和生物活性分子的生物转化（biotransformation），从而影响药物的药代动力学和药效学特性。然而，由于肠道微生物群的复杂性和个体间的差异性，确定特定微生物对药物和营养素代谢的具体贡献仍然是一个巨大的挑战。为了解决这一问题，研究人员开发了GutBugDB，这是一个开放获取的数字资源库，旨在预测人类肠道微生物群介导的生物和异生物质（xenobiotic）分子的生物转化。
论文来源该研究由Usha Longwani、Ashok K. Sharma、Aditya S. Malwe、Shubham K. Jaiswal和Vineet K. Sharma共同完成，他们来自印度科学教育与研究学院（Indian Institute of Science Education and Research, IISER）Bhopal校区的Metabiosys实验室。论文于2025年发表在《Gut Microbiome》期刊上，标题为《GutBugDB: A Web Resource to Predict the Human Gut Microbiome-Mediated Biotransformation of Biotic and Xenobiotic Molecules》。
研究流程1. 数据收集与分类研究首先从美国食品药品监督管理局（FDA）的数据库中收集了1439种已批准的药物和营养素，并结合文献回顾，将这些药物分为14个药理学类别，如自主神经系统药物、呼吸系统药物、心血管药物等。此外，研究还从DrugBank数据库中获取了这些药物的生理靶点和治疗应用信息。
2. 生物转化预测研究使用了名为GutBug的网络工具，该工具结合了人工智能（AI）、机器学习（machine learning）和化学信息学（cheminformatics）技术，预测肠道细菌代谢酶对生物和异生物质分子的生物转化。GutBug工具基于3457种酶底物进行训练，能够预测肠道细菌酶的EC编号（Enzyme Commission number）以及携带这些酶的肠道细菌菌株。GutBug工具采用模块化设计，分为三个模块：第一个模块用于预测EC编号的第一位数字（反应类别），第二个模块用于预测EC编号的第二位数字（反应子类），第三个模块用于预测完整的EC编号。
3. 数据库构建研究使用MySQL、PHP、HTML和JavaScript构建了GutBugDB的用户友好型网络界面。数据库包含了690种肠道细菌基因组中的363,872个代谢酶，这些酶均标有其EC编号、Expasy ID和功能域信息。GutBugDB提供了1439种FDA批准药物和营养素的肠道微生物酶介导的代谢生物转化信息。
4. 数据验证研究使用了一组已知的实验验证过的生物和异生物质分子对GutBugDB进行了验证。这些分子包括7种生物分子和10种异生物质分子，研究结果显示，GutBugDB不仅能够提供文献中已知的肠道细菌和酶信息，还能预测出新的肠道细菌菌株和酶，进一步丰富了生物转化的信息。
主要结果1. 数据库内容GutBugDB包含了1439种分子，其中包括1378种FDA批准药物和61种营养素，这些分子被分为14个药理学类别。数据库中还包含了690种肠道细菌菌株的363,872个代谢酶，这些酶被标记了其EC编号和功能域信息。
2. 预测结果GutBugDB提供了详细的生物转化信息，包括预测的代谢酶和能够代谢特定药物的肠道细菌菌株。例如，对于药物左旋多巴（L-Dopa），GutBugDB预测了苯酚2-单加氧酶和6-羟基-3-琥珀酰吡啶3-单加氧酶，这些酶来自Acinetobacter和Delftia属的细菌，能够代谢左旋多巴。此外，对于氟胞嘧啶（Flucytosine），GutBugDB预测了胞嘧啶脱氨酶，这些酶来自Escherichia、Bifidobacterium和Clostridium属的细菌，能够代谢氟胞嘧啶。
3. 验证结果研究验证了GutBugDB的预测结果，发现其在已知的生物转化信息上表现良好，并且能够提供新的肠道细菌和酶信息。例如，对于乳果糖（Lactulose），GutBugDB不仅预测了已知的磷酸化酶和水解酶，还预测了来自Ruminococcus和Escherichia属的细菌能够代谢乳果糖。
结论与意义GutBugDB为研究人员提供了一个全面的资源库，用于预测人类肠道细菌介导的药物和营养素代谢。该数据库不仅能够帮助识别候选药物的潜在生物转化，还能在药物处方中预防药物无效性，提高药物的有效性和耐受性。此外，GutBugDB还为未来实验验证提供了线索，进一步推动了对肠道微生物群介导的生物转化机制的理解。
研究亮点全面性：GutBugDB包含了1439种分子，涵盖了1378种FDA批准药物和61种营养素，提供了详细的生物转化信息。
创新性：研究使用了基于机器学习的GutBug工具，能够预测肠道细菌代谢酶和菌株，提供了更高精度的生物转化信息。
实用性：GutBugDB为药物开发和处方提供了重要参考，帮助研究人员更好地理解肠道微生物群在药物代谢中的作用。
其他有价值的信息GutBugDB计划定期更新，最近一次更新是在2024年6月。该数据库还兼容未来从宏基因组研究中获得的新数据，能够不断扩展其内容，为肠道微生物群研究提供持续的支持。