人体肠道微生物如何降解复杂多糖？

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。

1. 拟杆菌中的聚糖利用是由基因簇编码的聚糖降解系统——多糖利用位点基因座（PULs）协调的，生物信息学工具已经可以预测其基因组中这些基因座。PULs的标志是编码了TonB依赖性外膜转运蛋白（SusC同源物；SusCH）和相关聚糖结合蛋白（SusD同源物；SusDH）的相邻基因对，其组分还包括编码周质和表面碳水化合物活性酶、调节蛋白和附加表面聚糖结合蛋白（SGBPs）的基因。在聚糖的降解中，多糖最初与SGBPs结合，然后被表面聚糖降解酶部分降解，随后将得到的寡糖通过SusCH/SusDH对导入细胞周质，在其内部发生酶促反应降解成单糖，再通过内膜转运蛋白将其导入细胞质中（图2）。

2. 厚壁菌门由于缺少定义PULs的susCH/susDH基因对，它们运用类似于拟杆菌中的PUL的革兰氏阳性PULs——gpPULs来编码聚糖降解系统，目标底物最初与细胞外碳水化合物结合蛋白结合，在运输之前由碳水化合物活性酶部分加工，然后依赖ATP转运进入细胞质进行下一步降解（图2）。

3. 以革兰氏阳性双歧杆菌为代表的放线菌适用于具有低聚合度（DP）的碳水化合物，并且作用于多糖的形式类似于厚壁菌的gpPULs。一般而言，变形菌门可降解的碳水化合物有限，例如单糖和二糖。以大肠杆菌（E. coli.）为例，大肠杆菌具有溶质结合蛋白，PTS和ABC转运蛋白系统和一些外切糖苷酶。

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
and Groisman 2015, Desai et al. 2016)。GAGs是拟杆菌属（Bacteroides thetaiotaomicron）主要的优先利用营养素，并且高通量测序方法结果表明，这些聚糖显示出对小鼠肠道微生物群中几种细菌种类增殖的影响。另外，CS会降低炎症性变形菌的丰度，而拟杆菌属和其他细菌对CS的脱硫作用能够引起炎症。

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

1. 人体肠道菌群的主要营养来源是宿主和饮食中的复合碳水化合物。

2. 人体肠道菌群具有降解复杂的植物衍生聚糖（如纤维素、半纤维素、果胶、阿拉伯半乳糖蛋白等）和动物衍生聚糖（如粘多糖和宿主的黏蛋白-O-聚糖）的功能。

3. 拟杆菌属是聚糖的主要降解者，其基因组中编码了较多的糖苷水解酶和多糖裂解酶基因，厚壁菌门的一些细菌和放线菌门中双歧杆菌属也可代谢某些聚糖。

4. 聚糖的胞外代谢对人体肠道菌群内各种细菌间的交互营养共生至关重要。

5. 未来，更多的研究将会集中在分析的交互营养共生以及理解获取复杂聚糖营养的关键物种上。

参考文献：

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.

论文链接（点击查看原文）：

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