Microbiome医口经典思路：退烧药物代谢过程如何进行多组学分析？
乙酰氨基酚（APAP），俗称扑热息痛，是应用最广泛的镇痛和解热药物之一。以往的研究主要集中在分离APAP降解菌株，了解其降解代谢途径。但微生物群与对乙酰氨基酚之间的相互作用、对乙酰氨基酚降解基因的分布特征以及对乙酰氨基酚在现实世界环境中的基因驱动命运在很大程度上仍未得到探索。
近期，上海交大周宁一老师课题组发表了一篇关于乙酰氨基酚（APAP）降解，及与微生物间相互作用的文章，为我们提供了一个经典的药物代谢分析思路——多组学+培养组+验证，那么接下来我们一起看一下这篇文章的研究思路。
一、研究思路
二、研究结果
1、APAP在污水处理厂中的降解及分布
本研究收集了全国20个污水处理厂的WWTP污水样本，在19个水样中检测到APAP，浓度为0.06 - 29.20 nM。此外，所有的样本中都检测到了PAP，即APAP降解过程中的主要中间代谢产物——对氨基酚（PAP），浓度为23.93 - 108.68 nM（图1）。这表明与下游降解步骤相比，APAP水解为PAP的速度明显更快，这可能是由于APAP水解酶的丰度较高和/或其在WWTP中的酶活性较高。
为了验证WWTP中APAP和PAP浓度的不平衡是否与功能降解基因的分布模式有关，研究进一步使用BLASTP在WWTP样本的宏基因组中搜索了它们的编码酶。结果表明在APAP降解过程中参与初始水解的酰胺酶在污水处理厂中更常见，这种酶分布的不均衡导致PAP积累。
图1 对乙酰氨基酚（APAP）及其中间代谢产物对氨基酚（PAP）、降解酶及其相关微生物群落的分布谱。
2、APAP酰胺酶在污水处理厂中的广泛多样性
从WWTPs宏基因组中检索到多种APAP酰胺酶同源序列，构建的序列相似性网络显示其多样性高。在检索到的序列中，其中最主要的是ApaH2大类，显示出APAP代谢的多样性。从不同的分支也能看出还存在很多未表征的功能酶。
图2 从污水处理厂中推测的APAP酰胺酶的序列相似性网络（SSN）。
3、从废水中分离出的菌株进行APAP的降解
本研究从污水废水中分离出了两株降解菌株，分别为Pandoraea sp. strain NyZ501和Rhodococcus sp. strain NyZ502。从菌株NyZ501鉴定到了一个酰胺酶基因，与已经报道的Pseudomonas和Comamonas的相似性为100%。有趣的是，这3种菌均属于假单胞菌门，也就是在上述废水中及其他废水系统重鉴定到的最丰富的菌门。这可能暗示着这种特定的酰胺酶基因（aaa）可能通过基因水平转移的方式在Pseudomonadota菌之间游动。
此外，新分离的菌株NyZ502中虽然不含aaa基因，但是其ApaA酰胺酶在APAP降解中活性显著，在WWTPs中同源序列丰富，对APAP酰胺酶多样性贡献大。
图3 菌株NyZ502降解APAP的特性及降解中间体的鉴定。
4、重建MAGs中APAP降解基因的图谱
为了更深入地了解参与APAP降解的特定微生物类群的基因组背景和潜在的功能变异，研究进行了宏基因组组装基因组（MAG）水平的分析。成功重建211个高质量MAGs，分属16个细菌门。APAP降解基因在MAGs中分布不均，酰胺酶基因较多，且apaA主要存在于Actinomycetota门，表明微生物分类在APAP代谢中起重要作用。
图4 从WWTP样品中重建的高质量细菌MAGs的系统发育和功能特征
5、污水处理厂中酰胺酶的序列和结构多样性
系统发育分析将潜在APAP酰胺酶分为15个不同的系统发育组，不同组的酰胺酶在不同细菌门中分布不同。结构分析显示，这些酰胺酶存在至少四种不同的蛋白质折叠，结构差异表明其功能和底物特异性多样性。
图5 从污水处理厂中推测的APAP酰胺酶的系统发育和结构多样性。
6、污水处理厂中APAP降解酶的全球分布
为了调查APAP降解酶在污水处理厂的全球分布，本研究从NCBI SRA数据库下载了117个代表不同地理位置的WWTP样本的原始测序，并组装创建一个全球WWTP宏基因组数据集。对全球117个WWTPs宏基因组分析发现，初始APAP酰胺酶（如ApaA和ApaH2）在多数地区比下游酶更丰富，呈现全球分布不均的特点。
图6 现有WWTP宏基因组中APAP降解酶的整体分布。
三、思考与讨论
这项研究阐明了污水处理厂（WWTPs）中APAP降解的复杂动态，强调了促进这一过程的多种微生物途径。研究发现了广泛的APAP降解基因，包括独特的酰胺酶ApaA，强调了微生物群落在启动APAP分解中的关键作用。
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参考文献
The universal accumulation of p-aminophenol during the microbial degradation of analgesic and antipyretic acetaminophen in WWTPs: a novel metagenomic perspective. Microbiome, 2025.