功能性低聚糖对肠道细菌的影响及机制

人体肠道内定植着大量的共生菌群,每克结肠内容物中含有1012的细菌,超过1,000个种,各菌群之间处于动态的平衡中,一旦平衡被破坏,可能会诱发各种疾病,包括肥胖、糖尿病以及结肠炎等。食物中的低聚糖经过胃、小肠时不被消化、吸收,可以直接到达大肠,被大肠内的细菌利用,从而改变菌群组成。通常认为,低聚糖能选择性地促进肠道内双歧杆菌和乳杆菌的增殖,然而体外实验研究发现许多肠道共生细菌也能利用低聚糖,如Bacteroides、Clostridium、Escherichia以及Streptococcus。另外,低聚糖进入宿主肠道后也可能会产生副作用,如增加肠道通透性、引起肠道不适、促进Salmonella的异位等。由此可见,低聚糖与肠道的关系非常复杂,不仅仅局限于双歧效应。为了探究低聚糖和肠道细菌的关系,本文首先结合生物信息学和传统培养法研究了利用低聚糖的肠道细菌的种类,然后采用高通量的16S r DNA宏基因组测序技术,全面分析了低聚糖对小鼠粪便、内容物以及粘膜菌群组成的影响,最后采用PCR技术探讨了细菌利用低聚糖与其在肠道内定植能力之间的关系,主要研究结果如下:文献检索获得83个与低聚糖的转运相关的基因和73个与低聚糖的水解相关的基因,经BLASTP检索发现,这些与低聚糖的转运和水解相关的基因在肠道细菌内分布广泛,表明低聚糖并非双歧杆菌和乳杆菌的专属底物。采用传统培养法从健康成年人的粪便中分离利用乳酮糖和低聚果糖(FOS)的细菌,并结合BLASTP检索结果,经体外纯培养共发现35个种的细菌能利用乳酮糖,26个种的细菌能利用FOS,其中Cronobacter sakazakii、Enterococcus faecium、Klebsiella pneumoniae和Pseudomonas putida利用乳酮糖为第一次报道,Cronobacter sakazakii、Marvinbryantia formatexigens、Ruminococcus gnavus和Weissella paramesenteroides利用FOS为第一次报道。采用16S r DNA宏基因组测序技术,研究了低剂量、高剂量的乳酮糖和FOS对雄性C57BL/6J小鼠粪便菌群组成的影响,发现乳酮糖和FOS都能显著增加粪便菌群中放线菌门(Actinobacteria)的丰度,降低拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度;此外,小鼠摄入高剂量的FOS后,粪便菌群中Olsenella的丰度显著增加,达到与Bifidobacterium相近的水平;从小鼠粪便中分离到Olsenella Mou02菌株,并通过体外实验首次证实其具有利用FOS的能力。为了进一步揭示低聚糖对肠道菌群组成影响的机制,本实验全面分析了乳酮糖对小鼠盲肠、结肠的内容物和粘膜菌群组成的影响。16S r DNA宏基因组分析发现,小鼠内容物和粘膜菌群组成具有显著不同,内容物菌群中丰度最高的是厚壁菌门(Firmicutes),而粘膜菌群则是变形菌门(Proteobacteria)。高剂量乳酮糖处理(15%)后,在门水平,内容物菌群中放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)的丰度显著增加,Bacteroidetes的丰度显著减少;粘膜菌群中Proteobacteria的丰度显著增加,Bacteroidetes的丰度显著减少;在属水平,Actinobacteria主要由属Bifidobacterium贡献,Verrucomicrobia主要由属Akkermansia贡献,Proteobacteria主要由属Helicobacter贡献,而Bacteroidetes主要由属Alistipes贡献。实验发现,高剂量乳酮糖可以到达盲肠以及各段结肠,因此,推测乳酮糖影响内容物和粘膜菌群组成的机制是:在盲肠和各段结肠,乳酮糖被Actinobacteria中Bifidobacterium的细菌发酵,产生大量的短链脂肪酸(SCFAs),造成p H降低;SCFAs含量增多,推测可以促进肠道分泌粘蛋白,从而使得内容物菌群中利用粘蛋白的属Akkermansia和粘膜中利用粘蛋白的属Helicobacter的丰度显著增加,而内容物、粘膜菌群中属Alistipes的生长受到抑制,从而导致Bacteroidetes的丰度显著减小。为了进一步揭示利用低聚糖对细菌的意义,本实验研究了FOS对能利用其生长的3株菌Escherichia coli CCFM8415、Klebsiella sp.CCFM8375和Lactobacillus plantarum ST-III在小鼠肠道内定植的影响。3株菌都能利用FOS生长,代时由长到短依次为E.coli CCFM8415、K.sp.CCFM8375和L.plantarum ST-III。研究发现FOS对3株菌在肠道的定植均具有一定的促进作用,其中,代时较短的的E.coli CCFM8415和K.sp.CCFM8375在肠道内的定植能力比代时较长的L.plantarum ST-III强。敲除编码β-果糖苷酶的基因Sac A后,ΔSac A菌株不能在小鼠肠道内定植下来,FOS不再具有促进作用。由此可见,利用低聚糖是细菌在肠道内竞争的一种优势,利用低聚糖能力越强,越有利于其在肠道内的定植。