前言: 人体肠道菌群(HGM)是一个复杂的群落,包括数以万亿计的微生物,主要组成拟杆菌(Bacteroidetes)和厚壁菌(Firmicutes),其中也包括少量放线菌(Actinobacteria)和变形菌(Proteobacteria)。人体肠道菌群可被称为一个“器官”(organ),因为它执行与宿主体内真实器官类似的功能,对健康和疾病有重要意义。人体肠道菌群可利用的主要营养来源是宿主和膳食中的碳水化合物。为了利用这些营养来源,人体肠道菌群发育了用于感测、捕获和利用这些聚糖的精确、可变和复杂的系统。因此,通过理解人体肠道菌群对营养物质的获取,我们可以深刻理解肠道生态系统的动态变化及其如何影响人类健康。膳食中的营养来源包括各种各样来源于植物和动物的聚糖,而其中大部分不能被宿主消化道中的酶降解。在这篇综述中,作者描述了人体肠道菌群之间的多种适应性机制如何帮助人体从营养来源中降解利用多糖。
文献标题:Biochemistry of Complex Glycan Depolymerisation by the Human Gut Microbiota 中文标题:人体肠道菌群解聚复杂 多糖的生物化学过程 期刊:FEMS Microbiology Reviews 年份:2018 第一作者:Didier Ndeh,纽卡斯尔大学 通讯作者:Harry J Gilbert,纽卡斯尔大学
背景: 过去20年来,关于人体肠道菌群组成和功能的研究逐渐增多。人体肠道菌群是一个由各种微生物组成的复杂群落,其中主要以细菌为主。成年人的人体肠道菌群主要以拟杆菌门和厚壁菌门为主,但是放线菌门、疣微菌门、变形菌门对人体肠道菌群组成也有所贡献。肠道微生物群落会随着年龄、饮食、压力和其他生理因素发生变化。在属水平上,双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳酸菌(Lactobacillus)在新生儿肠道内占主导地位,因为他们更适合母乳喂养的生活方式,而断奶后的高纤维和高脂肪喂食方式促进了拟杆菌和厚壁菌的增殖。人体肠道菌群主要组成如图1所示: 图1 主要的肠道微生物种类及其核心属 人体肠道菌群对人体健康具有积极作用,例如宿主免疫的发展及调节、通过短链脂肪酸(SCFA)获取能量和防止病原体定植(colonisation)。肠道微生物组成的失衡也会产生严重后果,例如可能引发炎症性肠病、癌症和糖尿病等疾病。人体肠道菌群可以利用的主要能量和营养来源是宿主和膳食中的糖类,膳食中的糖类包括植物和动物多糖,如植物细胞壁果胶和半纤维素多糖、纤维素寡糖、植物储糖、典型的淀粉和果聚糖,或者动物中的糖胺聚糖(甘素和软骨素硫酸盐)。而当饥饿或高消耗造成食物中获取的糖有限时,肠道菌群就会将宿主粘液和上皮细胞中的蛋白聚糖作为营养来源。 关于人体肠道菌群中的碳水化合物代谢,拟杆菌门是常规的聚糖降解者,并且这类微生物利用复杂碳水化合物的机制已有广泛研究。然而,最近也有大量研究关注于由厚壁菌门参与的复杂聚糖的代谢。
各类群利用聚糖的一般过程 人体肠道菌群中复杂聚糖的代谢由碳水化合物活性酶(CAZymes)介导,如糖苷水解酶(GHs)和多糖裂解酶(PLs)。对于特定酶家族(family),蛋白质折叠(protein fold)、目标链接的几何形状(the geometry of the target linkage)、催化位点结构和机制(catalyticapparatus and mechanism)是保守的,例如GH10和GH11家族的底物特异性会保持不变。不同的是,对于GH5和GH43家族,他们的底物会发生较大变化,因此这些家族被分为新的亚家族(subfamily),开始将系统发育和底物特异性联系起来。
图2 聚糖利用系统 宿主聚糖利用 人体肠道菌群中宿主聚糖的代谢主要是糖胺聚糖(GAG)和粘蛋白-O-聚糖。GAG由与半乳糖胺(硫酸软骨素,CS)或葡糖胺(肝素,Hep;硫酸乙酰肝素,HS)连接的糖醛酸(UA)组成。GAG是一种蛋白多糖,与细胞表面和细胞外基质上的蛋白质连接。研究证明拟杆菌属能够降解GAG (Raghavan HS/Hep PUL在人类肠道拟杆菌属内是高度保守的,表明该模型可以代表此类生物共同利用这些内源宿主底物,而在其他属中没有发现这种代谢模式或结果不够确定。众多研究表明,补充酶家族(complementary enzyme family;PL8,GH88和硫酸酯酶)是人体肠道菌群中CS利用的主要参与者。粘蛋白是高度糖基化的蛋白质,其由主要由氧连接的聚糖高度修饰的肽链组成。已有研究证实在人体肠道菌群中代表的主要门类中粘蛋白降解是普遍的(Tailford et al. 2015),用猪胃粘蛋白进行的生长实验揭示了双歧杆菌属能够代谢粘蛋白。粘蛋白的胞外降解有利于人体肠道菌群的交互营养作用,从而确保复杂的微生物群可以生活在粘膜层。粘蛋白界面上宿主与微生物相互作用的重要性,使放线菌(主要是双歧杆菌)的研究需要扩大到人体肠道菌群中代表的其他主要门类,以更好地理解基于粘蛋白的宿主与人体肠道菌群相互作用。
植物源性聚糖利用 植物的原代细胞壁是膳食多糖的丰富来源。主要植物细胞壁的主要多糖成分包括纤维素,半纤维素,果胶和阿拉伯半乳聚糖蛋白(AGPs)。纤维素主要由π连接的葡聚糖聚合物组成,而半纤维素包括木葡聚糖,甘露聚糖和木聚糖。果胶是含有大量半乳糖醛酸的复合多糖,其含有具有不同单糖组成的三个主要结构单元:同聚半乳糖醛酸(HG),鼠李糖半乳糖醛酸聚糖I(RGI)和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖II(RGII)。AGPs的一个关键特征是多糖结构成分所附着的蛋白质骨架的存在,AGPs的主链和侧链由β-半乳聚糖组成,可以由多种糖进一步修饰。如图2所示,这些多糖在其连接多样性方面最复杂,包括RGII,RGI,木聚糖和AGP。 人体肠道菌群利用木聚糖主要是通过木聚糖解聚物(主要是拟杆菌属)催化的交互营养作用(图3),这种过程形成了木聚糖可以在人类肠道中发挥双歧杆菌效应的机制,还包括其他潜在受益者变形菌门等。由于双歧杆菌更能利用木聚糖衍生的寡糖,所以双歧杆菌和拟杆菌属的其他成员可能是释放原糖和复杂膳食木聚糖的营养潜力的关键物种,这一过程有点类似于某些厚壁菌门成员在淀粉代谢中所起的作用。RGI是存在于植物细胞壁中的一种多样且复杂的果胶,RGI及其低聚糖也可以作为人体肠道菌群的益生元,因为它们像木聚糖一样刺激益生菌双歧杆菌和乳杆菌属亚种的生长。RGII是存在于水果、蔬菜和许多维管植物中的植物细胞壁多糖,其中它通常占果胶的10%。由于其对酶解的抗性,RGII主要被浓缩在加工饮料中,如葡萄酒、果汁等。最近研究表明,RGII具有抗转移性质,但与这一性质和机制有关的具体结构特征尚不清楚。在RGII发现后的40年内,没有发现单个生物体在其上生长,后来发现人体肠道菌群通过有机体从其他酶家族(GH137—GH143)获得新的酶功能也可以代谢RGII,但仅限于拟杆菌。RGII对人体肠道菌群的影响尚未被研究。AGP是复杂的植物细胞壁蛋白聚糖。简单的AGP,能够许多拟杆菌属成员代谢,同时,双歧杆菌属物种可以与拟杆菌属组合生长在这些聚糖上。研究编码AGP降解的PULs可能揭示这些外源聚糖被利用的机制。 图3 人体肠道菌群中木聚糖和粘蛋白利用的合作代谢网络 总结
参考文献:
论文链接(点击查看原文): https:///10.1093/femsre/fuy002
中国科学院生态环境研究中心 环境生物技术重点实验室 邓晔 研究员课题组发布 作者:杜雄峰 |
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