人體腸道微生物如何降解複雜多糖？

前言：

人體腸道菌群（HGM）是一個複雜的群落，包括數以萬億計的微生物，主要組成擬桿菌（Bacteroidetes）和厚壁菌（Firmicutes），其中也包括少量放線菌（Actinobacteria）和變形菌（Proteobacteria）。人體腸道菌群可被稱為一個「器官」（organ），因為它執行與宿主體內真實器官類似的功能，對健康和疾病有重要意義。人體腸道菌群可利用的主要營養來源是宿主和膳食中的碳水化合物。為了利用這些營養來源，人體腸道菌群發育了用於感測、捕獲和利用這些聚糖的精確、可變和複雜的系統。因此，通過理解人體腸道菌群對營養物質的獲取，我們可以深刻理解腸道生態系統的動態變化及其如何影響人類健康。膳食中的營養來源包括各種各樣來源於植物和動物的聚糖，而其中大部分不能被宿主消化道中的酶降解。在這篇綜述中，作者描述了人體腸道菌群之間的多種適應性機制如何幫助人體從營養來源中降解利用多糖。

文獻標題：Biochemistry of Complex Glycan Depolymerisation by the Human Gut Microbiota

中文標題：人體腸道菌群解聚複雜

多糖的生物化學過程

期刊：FEMS Microbiology Reviews

年份：2018

第一作者：Didier Ndeh，紐卡斯爾大學

通訊作者：Harry J Gilbert，紐卡斯爾大學

背景：

過去20年來，關於人體腸道菌群組成和功能的研究逐漸增多。人體腸道菌群是一個由各種微生物組成的複雜群落，其中主要以細菌為主。成年人的人體腸道菌群主要以擬桿菌門和厚壁菌門為主，但是放線菌門、疣微菌門、變形菌門對人體腸道菌群組成也有所貢獻。腸道微生物群落會隨著年齡、飲食、壓力和其他生理因素髮生變化。在屬水平上，雙歧桿菌（Bifidobacterium）和乳酸菌（Lactobacillus）在新生兒腸道內佔主導地位，因為他們更適合母乳餵養的生活方式，而斷奶後的高纖維和高脂肪餵食方式促進了擬桿菌和厚壁菌的增殖。人體腸道菌群主要組成如圖1所示：

圖1 主要的腸道微生物種類及其核心屬

人體腸道菌群對人體健康具有積極作用，例如宿主免疫的發展及調節、通過短鏈脂肪酸（SCFA）獲取能量和防止病原體定植（colonisation）。腸道微生物組成的失衡也會產生嚴重後果，例如可能引發炎症性腸病、癌症和糖尿病等疾病。人體腸道菌群可以利用的主要能量和營養來源是宿主和膳食中的糖類，膳食中的糖類包括植物和動物多糖，如植物細胞壁果膠和半纖維素多糖、纖維素寡糖、植物儲糖、典型的澱粉和果聚糖，或者動物中的糖胺聚糖（甘素和軟骨素硫酸鹽）。而當飢餓或高消耗造成食物中獲取的糖有限時，腸道菌群就會將宿主粘液和上皮細胞中的蛋白聚糖作為營養來源。

關於人體腸道菌群中的碳水化合物代謝，擬桿菌門是常規的聚糖降解者，並且這類微生物利用複雜碳水化合物的機制已有廣泛研究。然而，最近也有大量研究關注於由厚壁菌門參與的複雜聚糖的代謝。

各類群利用聚糖的一般過程

人體腸道菌群中複雜聚糖的代謝由碳水化合物活性酶（CAZymes）介導，如糖苷水解酶（GHs）和多糖裂解酶（PLs）。對於特定酶家族（family），蛋白質摺疊（protein fold）、目標鏈接的幾何形狀（the geometry of the target linkage）、催化位點結構和機制（catalyticapparatus and mechanism）是保守的，例如GH10和GH11家族的底物特異性會保持不變。不同的是，對於GH5和GH43家族，他們的底物會發生較大變化，因此這些家族被分為新的亞家族（subfamily），開始將系統發育和底物特異性聯繫起來。

1. 擬桿菌中的聚糖利用是由基因簇編碼的聚糖降解系統——多糖利用位點基因座（PULs）協調的，生物信息學工具已經可以預測其基因組中這些基因座。PULs的標誌是編碼了TonB依賴性外膜轉運蛋白（SusC同源物；SusCH）和相關聚糖結合蛋白（SusD同源物；SusDH）的相鄰基因對，其組分還包括編碼周質和表面碳水化合物活性酶、調節蛋白和附加表面聚糖結合蛋白（SGBPs）的基因。在聚糖的降解中，多糖最初與SGBPs結合，然後被表面聚糖降解酶部分降解，隨後將得到的寡糖通過SusCH/SusDH對導入細胞周質，在其內部發生酶促反應降解成單糖，再通過內膜轉運蛋白將其導入細胞質中（圖2）。

2. 厚壁菌門由於缺少定義PULs的susCH/susDH基因對，它們運用類似於擬桿菌中的PUL的革蘭氏陽性PULs——gpPULs來編碼聚糖降解系統，目標底物最初與細胞外碳水化合物結合蛋白結合，在運輸之前由碳水化合物活性酶部分加工，然後依賴ATP轉運進入細胞質進行下一步降解（圖2）。

3. 以革蘭氏陽性雙歧桿菌為代表的放線菌適用於具有低聚合度（DP）的碳水化合物，並且作用於多糖的形式類似於厚壁菌的gpPULs。一般而言，變形菌門可降解的碳水化合物有限，例如單糖和二糖。以大腸桿菌（E. coli.）為例，大腸桿菌具有溶質結合蛋白，PTS和ABC轉運蛋白系統和一些外切糖苷酶。

圖2 聚糖利用系統

宿主聚糖利用

人體腸道菌群中宿主聚糖的代謝主要是糖胺聚糖（GAG）和粘蛋白-O-聚糖。GAG由與半乳糖胺（硫酸軟骨素，CS）或葡糖胺（肝素，Hep；硫酸乙醯肝素，HS）連接的糖醛酸（UA）組成。GAG是一種蛋白多糖，與細胞表面和細胞外基質上的蛋白質連接。研究證明擬桿菌屬能夠降解GAG(Raghavanand Groisman 2015, Desai et al. 2016)。GAGs是擬桿菌屬（Bacteroides thetaiotaomicron）主要的優先利用營養素，並且高通量測序方法結果表明，這些聚糖顯示出對小鼠腸道微生物群中幾種細菌種類增殖的影響。另外，CS會降低炎症性變形菌的丰度，而擬桿菌屬和其他細菌對CS的脫硫作用能夠引起炎症。

HS/Hep PUL在人類腸道擬桿菌屬內是高度保守的，表明該模型可以代表此類生物共同利用這些內源宿主底物，而在其他屬中沒有發現這種代謝模式或結果不夠確定。眾多研究表明，補充酶家族（complementary enzyme family；PL8，GH88和硫酸酯酶）是人體腸道菌群中CS利用的主要參與者。粘蛋白是高度糖基化的蛋白質，其由主要由氧連接的聚糖高度修飾的肽鏈組成。已有研究證實在人體腸道菌群中代表的主要門類中粘蛋白降解是普遍的(Tailford et al. 2015)，用豬胃粘蛋白進行的生長實驗揭示了雙歧桿菌屬能夠代謝粘蛋白。粘蛋白的胞外降解有利於人體腸道菌群的交互營養作用，從而確保複雜的微生物群可以生活在粘膜層。粘蛋白界面上宿主與微生物相互作用的重要性，使放線菌（主要是雙歧桿菌）的研究需要擴大到人體腸道菌群中代表的其他主要門類，以更好地理解基於粘蛋白的宿主與人體腸道菌群相互作用。

植物源性聚糖利用

植物的原代細胞壁是膳食多糖的豐富來源。主要植物細胞壁的主要多糖成分包括纖維素，半纖維素，果膠和阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs）。纖維素主要由π連接的葡聚糖聚合物組成，而半纖維素包括木葡聚糖，甘露聚糖和木聚糖。果膠是含有大量半乳糖醛酸的複合多糖，其含有具有不同單糖組成的三個主要結構單元：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的一個關鍵特徵是多糖結構成分所附著的蛋白質骨架的存在，AGPs的主鏈和側鏈由β-半乳聚糖組成，可以由多種糖進一步修飾。如圖2所示，這些多糖在其連接多樣性方面最複雜，包括RGII，RGI，木聚糖和AGP。

人體腸道菌群利用木聚糖主要是通過木聚糖解聚物（主要是擬桿菌屬）催化的交互營養作用（圖3），這種過程形成了木聚糖可以在人類腸道中發揮雙歧桿菌效應的機制，還包括其他潛在受益者變形菌門等。由於雙歧桿菌更能利用木聚糖衍生的寡糖，所以雙歧桿菌和擬桿菌屬的其他成員可能是釋放原糖和複雜膳食木聚糖的營養潛力的關鍵物種，這一過程有點類似於某些厚壁菌門成員在澱粉代謝中所起的作用。RGI是存在於植物細胞壁中的一種多樣且複雜的果膠，RGI及其低聚糖也可以作為人體腸道菌群的益生元，因為它們像木聚糖一樣刺激益生菌雙歧桿菌和乳桿菌屬亞種的生長。RGII是存在於水果、蔬菜和許多維管植物中的植物細胞壁多糖，其中它通常占果膠的10％。由於其對酶解的抗性，RGII主要被濃縮在加工飲料中，如葡萄酒、果汁等。最近研究表明，RGII具有抗轉移性質，但與這一性質和機制有關的具體結構特徵尚不清楚。在RGII發現後的40年內，沒有發現單個生物體在其上生長，後來發現人體腸道菌群通過有機體從其他酶家族（GH137—GH143）獲得新的酶功能也可以代謝RGII，但僅限於擬桿菌。RGII對人體腸道菌群的影響尚未被研究。AGP是複雜的植物細胞壁蛋白聚糖。簡單的AGP，能夠許多擬桿菌屬成員代謝，同時，雙歧桿菌屬物種可以與擬桿菌屬組合生長在這些聚糖上。研究編碼AGP降解的PULs可能揭示這些外源聚糖被利用的機制。

圖3 人體腸道菌群中木聚糖和粘蛋白利用的合作代謝網路

總結

1. 人體腸道菌群的主要營養來源是宿主和飲食中的複合碳水化合物。

2. 人體腸道菌群具有降解複雜的植物衍生聚糖（如纖維素、半纖維素、果膠、阿拉伯半乳糖蛋白等）和動物衍生聚糖（如粘多糖和宿主的黏蛋白-O-聚糖）的功能。

3. 擬桿菌屬是聚糖的主要降解者，其基因組中編碼了較多的糖苷水解酶和多糖裂解酶基因，厚壁菌門的一些細菌和放線菌門中雙歧桿菌屬也可代謝某些聚糖。

4. 聚糖的胞外代謝對人體腸道菌群內各種細菌間的交互營養共生至關重要。

5. 未來，更多的研究將會集中在分析的交互營養共生以及理解獲取複雜聚糖營養的關鍵物種上。

參考文獻：

1. Ndeh, D. and H.J.Gilbert, Biochemistry of Complex Glycan Depolymerisation by the Human GutMicrobiota. FEMS Microbiology Reviews, 2018: p. fuy002-fuy002.

2. Raghavan V,Groisman EA (2015) Species-specific dynamic responses of gut bacteria to a mammalian glycan. J Bacteriol 197: 1538-1548.

3. Desai MS, Seekatz AM, Koropatkin NM et al. (2016) A Dietary Fiber-Deprived Gut Microbiota Degrades the Colonic Mucus Barrier and Enhances Pathogen Susceptibility. Cell 167: 1339-1353.e1321.

4. Tailford LE, Crost EH, Kavanaugh D et al. (2015) Mucin glycan foraging in the human gut microbiome. Front Genet 6: 81.

論文鏈接（點擊查看原文）：

https://doi.org/10.1093/femsre/fuy002

中國科學院生態環境研究中心

環境生物技術重點實驗室

鄧曄 研究員課題組發布

作者：杜雄峰

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