ABSTRACT Fe(III)-respiring bacteria such as Shewanella species play an important role in the global cycle of iron, manganese, and trace metals and are useful for many biotechnological applications, including microbial fuel cells and the bioremediation of waters and sediments contaminated with organics, metals, and radionuclides. Several alternative electron transfer pathways have been postulated for the reduction of insoluble extracellular subsurface minerals, such as Fe(III) oxides, by Shewanella species. One such potential mechanism involves the secretion of an electron shuttle. Here we identify for the first time flavin mononucleotide (FMN) and riboflavin as the extracellular electron shuttles produced by a range of Shewanella species. FMN secretion was strongly correlated with growth and exceeded riboflavin secretion, which was not exclusively growth associated but was maximal in the stationary phase of batch cultures. Flavin adenine dinucleotide was the predominant intracellular flavin but was not released by live cells. The flavin yields were similar under both aerobic and anaerobic conditions, with total flavin concentrations of 2.9 and 2.1 μmol per gram of cellular protein, respectively, after 24 h and were similar under dissimilatory Fe(III)-reducing conditions and when fumarate was supplied as the sole electron acceptor. The flavins were shown to act as electron shuttles and to promote anoxic growth coupled to the accelerated reduction of poorly crystalline Fe(III) oxides. The implications of flavin secretion by Shewanella cells living at redox boundaries, where these mineral phases can be significant electron acceptors for growth, are discussed.

Significance Microorganisms in the gastrointestinal tract interact with their host in many ways. Lipid metabolism by gastrointestinal microbes generates multiple fatty acid species that can affect host health. In the representative gut bacterium Lactobacillus plantarum , we revealed a fatty acid metabolism, saturation metabolism of polyunsaturated fatty acid, that generates hydroxy fatty acids, oxo fatty acids, conjugated fatty acids, and partially saturated trans -fatty acids as intermediates. Furthermore, fatty acid analysis in mice suggests that the fatty acid metabolism by gastrointestinal microbes modifies fatty acid composition of the host. Therefore, functional investigations of lipid metabolisms of gastrointestinal microbes may provide new methods for improving our health by altering lipid metabolism related to the onset of metabolic syndrome.

Gut microbiota mediates the effects of diet, thereby modifying host metabolism and the incidence of metabolic disorders. Increased consumption of omega-6 polyunsaturated fatty acid (PUFA) that is abundant in Western diet contributes to obesity and related diseases. Although gut-microbiota-related metabolic pathways of dietary PUFAs were recently elucidated, the effects on host physiological function remain unclear. Here, we demonstrate that gut microbiota confers host resistance to high-fat diet (HFD)-induced obesity by modulating dietary PUFAs metabolism. Supplementation of 10-hydroxy-cis-12-octadecenoic acid (HYA), an initial linoleic acid-related gut-microbial metabolite, attenuates HFD-induced obesity in mice without eliciting arachidonic acid-mediated adipose inflammation and by improving metabolic condition via free fatty acid receptors. Moreover, Lactobacillus-colonized mice show similar effects with elevated HYA levels. Our findings illustrate the interplay between gut microbiota and host energy metabolism via the metabolites of dietary omega-6-FAs thereby shedding light on the prevention and treatment of metabolic disorders by targeting gut microbial metabolites.

Gut microbial metabolites of polyunsaturated fatty acids have attracted much attention because of their various physiological properties. Dysfunction of tight junction (TJ) in the intestine contributes to the pathogenesis of many disorders such as inflammatory bowel disease. We evaluated the effects of five novel gut microbial metabolites on tumor necrosis factor (TNF)-α-induced barrier impairment in Caco-2 cells and dextran sulfate sodium-induced colitis in mice. 10-Hydroxy-cis-12-octadecenoic acid (HYA), a gut microbial metabolite of linoleic acid, suppressed TNF-α and dextran sulfate sodium-induced changes in the expression of TJ-related molecules, occludin, zonula occludens-1, and myosin light chain kinase. HYA also suppressed the expression of TNF receptor 2 (TNFR2) mRNA and protein expression in Caco-2 cells and colonic tissue. In addition, HYA suppressed the protein expression of TNFR2 in murine intestinal epithelial cells. Furthermore, HYA significantly up-regulated G protein-coupled receptor (GPR) 40 expression in Caco-2 cells. It also induced [Ca2+]i responses in HEK293 cells expressing human GPR40 with higher sensitivity than linoleic acid, its metabolic precursor. The barrier-recovering effects of HYA were abrogated by a GPR40 antagonist and MEK inhibitor in Caco-2 cells. Conversely, 10-hydroxyoctadacanoic acid, which is a gut microbial metabolite of oleic acid and lacks a carbon-carbon double bond at Δ12 position, did not show these TJ-restoring activities and down-regulated GPR40 expression. Therefore, HYA modulates TNFR2 expression, at least partially, via the GPR40-MEK-ERK pathway and may be useful in the treatment of TJ-related disorders such as inflammatory bowel disease.Background: The physiological activity of gut microbial metabolites has recently attracted much attention.Results: A gut microbial metabolite of linoleic acid, 10-hydroxy-cis-12-octadecenoic acid (HYA), ameliorates intestinal epithelial barrier impairments by regulating TNFR2 expression via the GPR40-MEK-ERK pathway.Conclusion: HYA-induced GPR40 signaling contributes to the intestinal homeostasis.Significance: Our findings indicate a novel function of GPR40 in the inflamed intestine. Gut microbial metabolites of polyunsaturated fatty acids have attracted much attention because of their various physiological properties. Dysfunction of tight junction (TJ) in the intestine contributes to the pathogenesis of many disorders such as inflammatory bowel disease. We evaluated the effects of five novel gut microbial metabolites on tumor necrosis factor (TNF)-α-induced barrier impairment in Caco-2 cells and dextran sulfate sodium-induced colitis in mice. 10-Hydroxy-cis-12-octadecenoic acid (HYA), a gut microbial metabolite of linoleic acid, suppressed TNF-α and dextran sulfate sodium-induced changes in the expression of TJ-related molecules, occludin, zonula occludens-1, and myosin light chain kinase. HYA also suppressed the expression of TNF receptor 2 (TNFR2) mRNA and protein expression in Caco-2 cells and colonic tissue. In addition, HYA suppressed the protein expression of TNFR2 in murine intestinal epithelial cells. Furthermore, HYA significantly up-regulated G protein-coupled receptor (GPR) 40 expression in Caco-2 cells. It also induced [Ca2+]i responses in HEK293 cells expressing human GPR40 with higher sensitivity than linoleic acid, its metabolic precursor. The barrier-recovering effects of HYA were abrogated by a GPR40 antagonist and MEK inhibitor in Caco-2 cells. Conversely, 10-hydroxyoctadacanoic acid, which is a gut microbial metabolite of oleic acid and lacks a carbon-carbon double bond at Δ12 position, did not show these TJ-restoring activities and down-regulated GPR40 expression. Therefore, HYA modulates TNFR2 expression, at least partially, via the GPR40-MEK-ERK pathway and may be useful in the treatment of TJ-related disorders such as inflammatory bowel disease. Background: The physiological activity of gut microbial metabolites has recently attracted much attention. Results: A gut microbial metabolite of linoleic acid, 10-hydroxy-cis-12-octadecenoic acid (HYA), ameliorates intestinal epithelial barrier impairments by regulating TNFR2 expression via the GPR40-MEK-ERK pathway. Conclusion: HYA-induced GPR40 signaling contributes to the intestinal homeostasis. Significance: Our findings indicate a novel function of GPR40 in the inflamed intestine.

Abstract Isoflavones are major specialized metabolites found in legume plants, where they contribute to environmental adaptation. Isoflavones also play a role human health as promising therapeutic agents. This metabolite group is involved in interactions with soil microorganisms as initiation signals in rhizobial symbiosis and as modulators of the legume root microbiota. We previously reported that isoflavones enrich the Comamonadaceae, a predominant bacterial family in soybean roots, and that microorganisms in legume rhizosphere soil degrade isoflavones. However, the isoflavone catabolism pathway that underly the isoflavone-mediated legume–microbiota interactions have not yet been clarified. Here, we isolated Variovorax sp. strain V35, member of the Comamonadaceae that harbors isoflavone-degrading activity, from soybean roots and discovered a gene cluster responsible for isoflavone degradation named ifc . Strain V35 metabolizes isoflavones in a completely distinct oxidative manner from the reductive isoflavone metabolism pathway elucidated in the gut microbiota, in which resulting products enter the tricarboxylic acid cycle. The characterization of ifc mutants and heterologously expressed IFC enzymes revealed that isoflavones are catabolized via A-ring cleaving fission, which starts with hydroxylation at the 8-position of the A-ring. We further demonstrated that ifc genes are frequently found in bacterial strains isolated from legume plants, including mutualistic rhizobia, and contribute to detoxification of the antibacterial activity of isoflavones. Taken together, our findings reveal an oxidative catabolism pathway of isoflavone in the soybean root microbiota, providing molecular insights into isoflavone-mediated legume–microbiota interactions. Significance Isoflavones play pivotal roles in plant-environment interactions and in the maintenance and improvement of human health. Bacterial metabolism is a fundamental component of isoflavone-mediated interkingdom interactions. In the human gut, intestinal bacteria convert isoflavones into equol, a highly bioactive compound. However, the fate of isoflavones in the legume rhizosphere has not been elucidated, despite them being the key signaling molecules for nodule symbiosis and modulation of the legume root microbiota. Here, we discovered a novel isoflavone catabolism pathway in the soybean root microbiota and demonstrated the strong association between bacterial catabolic abilities and their interactions with host plants. Collectively, our findings provide new insights into bacterial isoflavone metabolism and a molecular understanding of legume-microbiota interactions.

Abstract Various gut bacteria, including Lactobacillus plantarum , possess several enzymes that produce hydroxy fatty acids (FAs), oxo FAs, conjugated FAs, and partially saturated FAs from polyunsaturated FAs as secondary metabolites. Among these derivatives, we identified 10-oxo- cis -6, trans -11-octadecadienoic acid (γKetoC), a γ-linolenic acid-derived enon FA, as the most effective immunomodulator, which inhibited the antigen-induced immunoactivation and the LPS-induced production of inflammatory cytokines. The treatment with γKetoC markedly increased the protein level of NRF2, a master transcription factor for antioxidant responses, and the mRNA level of Hmox1 , a target gene of NRF2, in bone marrow-derived dendritic cells (BMDCs). Although γKetoC significantly suppressed the LPS-induced activation of control BMDCs, particularly the secretion of IL-12/23p40, the suppressive effects of γKetoC were reduced in Nrf2 -/- BMDCs. GW9508, an agonist of GPR40/GPR120, inhibited the release of cytokines from LPS-stimulated BMDCs without activating the NRF2 pathway. We evaluated the role of NRF2 in the anti-inflammatory effects of γKetoC in a dextran sodium sulfate-induced colitis model. The oral administration of γKetoC significantly reduced body weight loss, improved stool scores, and attenuated atrophy of the colon, in wild-type C57BL/6J and Nrf2 +/- (C57BL/6N) mice with colitis. In contrast, the pathology of colitis was deteriorated in Nrf2 -/- mice even with the administration of γKetoC. Collectively, the present results demonstrated the involvement of the NRF2 pathway in γKetoC-mediated anti-inflammatory responses.

Abstract Aim Maternal vitamin K (VK) deficiency can lead to fetal complications such as cerebral hemorrhage and bone malformations. In this study, we aimed to analyze changes in prothrombin time (PT) and protein induced by VK absence or antagonist II (PIVKA‐II) in patients with severe hyperemesis gravidarum with suspected VK deficiency. Methods We compared 151 patients with severe hyperemesis gravidarum treated with intravenous nutrition to 46 patients undergoing cervical suturing or benign ovarian tumor surgery before mid‐pregnancy. Results In the hyperemesis group, coagulation factors, including PT (s), prothrombin activity, INR, and APTT, showed a significant shift toward fibrinolysis compared to control ( p < 0.001). The changes were within the normal range, except for PT (s), which was prolonged (14.6 ± 1.4 s). PIVKA‐II was measured 25 times in 11 cases of hyperemesis and significantly correlated with PT (s). Moreover, VK was supplemented in four cases with severe VK deficiency, promptly normalizing both PT (s) and PIVKA‐II. Conclusions Monitoring VK deficiency using PT (s) and PIVKA‐II, with timely VK supplementation, may help prevent fetal complications in severe hyperemesis gravidarum.

Microbial indigo reduction is a key reaction in indigo dyeing; however, the mechanism of the interaction with indigo remains unclear. We hypothesized that lignin is a candidate substance that supports this interaction. The addition of lignin effectively enhanced the indigo reduction. The reducing activity of indigo correlated with the particle size after the addition of lignin.

Many patients with diabetes use self-measurement devices for blood glucose to understand their blood glucose levels. Most of these devices utilize FAD-dependent glucose dehydrogenase (FAD-GDH) to determine blood glucose levels. For this purpose, FAD-GDHs specifically oxidizing glucose among the sugars present in blood is required. Many FAD-GDHs with high substrate specificity have been reported previously; however, their substrate specificity is insufficient as they also react with xylose. Therefore, we aimed to identify FAD-GDHs without xylose reactivity. We screened and obtained a new enzyme from Colletotrichum plurivorum (CpGDH). CpGDH showed high activity to glucose in the presence of electron mediators but low activity to xylose. We prepared the glucose oxidation products using CpGDH and subjected to TLC, HPLC, MS, and NMR analyses. The results demonstrated that CpGDH is a previously unknown FAD-dependent glucose 6-dehydrogenase (FAD-G6DH) that oxidizes glucose to glucuronic acid. The stoichiometric ratio of the substrate and electron mediator was 1:2, suggesting that CpGDH catalyzes two-step oxidation reactions, including oxidation of primary alcohols to aldehydes and of aldehydes to carboxylic acids. We concluded that CpGDH has the unique substrate-binding manner based on the result of docking simulation of CpGDH with a substrate glucose. We then constructed a phylogenetic tree of carbohydrate-related flavoproteins including FAD-G6DHs, indicating that FAD-G6DHs are different from the known FAD-dependent oxidoreductases. Overall, this study is the first to report FAD-G6DHs. These results will likely contribute to the development of more accurate blood glucose sensors and further research on the metabolisms of glucosides and their metabolites.

Uracil-thymine dehydrogenase (UTDH), which catalyzes the irreversible oxidation of uracil to barbituric acid in oxidative pyrimidine metabolism, was purified from Rhodococcus erythropolis JCM 3132. The finding of unusual stabilizing conditions (pH 11, in the presence of NADP+ or NADPH) enabled the enzyme purification. The purified enzyme was a heteromer consisting of three different subunits. The enzyme catalyzed oxidation of uracil to barbituric acid with artificial electron acceptors such as methylene blue, phenazine methosulfate, benzoquinone, and α-naphthoquinone; however, NAD+, NADP+, flavin adenine dinucleotide, and flavin mononucleotide did not serve as electron acceptors. The enzyme acted not only on uracil and thymine but also on 5-halogen-substituted uracil and hydroxypyrimidine (pyrimidone), while dihydropyrimidine, which is an intermediate in reductive pyrimidine metabolism, and purine did not serve as substrates. The activity of UTDH was enhanced by cerium ions, and this activation was observed with all combinations of substrates and electron acceptors.