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Cell:蛋白质组学揭示肠道菌群种间竞争对饮食纤维的选择性机制

发布时间: 2019-11-06
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近年来,肠道微生物研究是炙手可热的研究热点。研究表明,肠道菌群的代谢能够影响人类生物学的多重特性。因此越来越多的科学家着眼于肠道微生物对人体内各个器官、组织的影响,并且尝试通过精准的微生物定向干预措施改善健康状况,即通过改变肠道菌群的组成来达到改善和治疗疾病的目的。

微生物定向食品(MDF)是指选择性地增加有益的人肠道微生物丰度及其表达功能,对微生物群落有显著而迅速的影响。但是,MDF的研发需要知道MDF的生物活性成分和微生物-微生物相互作用的机制。

今天介绍的这篇文章,于2019年9月19日在线发表于国际顶级学术期刊Cell上,来自华盛顿大学圣路易斯医学院的研究团队,运用针对群落菌群基因表达的定量蛋白质组学分析、宏蛋白质组学等方法,靶向筛选特定人类肠道微生物的营养来源。文章还报道了一种基于荧光磁性微球,可直接检测不同肠道微生物在体内处理相同营养物质的能力的方法,可作为生物传感器来破译肠道菌群成员如何争夺或协作这些纤维成分。研究发现肠道微生物种群间的竞争,从而决定了肠道菌群对饮食纤维的选择性效应。

Cell:蛋白质组学揭示肠道菌群种间竞争对饮食纤维的选择性机制

研究速读

1.体内靶向筛选特定人类肠道微生物纤维制剂

为了了解哪种类型的纤维能促进人体肠道中不同类型有益微生物及其活性成分的生长,研究人员使无菌小鼠定殖来源于健康 人体肠道的细菌菌株集合体,并喂食34种 食品级纤维食物。 接下来,研究人员筛选了144种含有不同类型和数量纤维补充剂的衍生饮食 (图 1A ) 。 通过收集小鼠的粪便及16S rRNA 基因测序分析,研究人员监测了添加的纤维对肠道群落成员水平的影响,发现对特定类型纤维反应的特定微生物 (图1B-1C) 。

Cell:蛋白质组学揭示肠道菌群种间竞争对饮食纤维的选择性机制

图1. 食品级纤维制剂对特定人类肠道菌群成员影响

2.蛋白质组学鉴定纤维制剂中的多糖的生物活性

接下来,为了确定纤维制剂中的哪种多糖导致了目标物种的扩增生长,以及它们是否作为营养源直接作用于这些物种的生长。研究人员利用蛋白质组学和正向遗传学监测了添加的纤维对肠道群落成员水平的影响,以及由其基因组编码的蛋白质的表达。首先,利用GC-MS分析豌豆纤维和柑橘果胶种单糖和多糖组成,豌豆纤维中最丰富的多糖是阿拉伯糖,而柑橘果胶中的多糖以甲基化程度高的高半乳糖醛酸为主 (图2A)。喂食豌豆纤维选择性地影响属于一组称为Bacteroides拟杆菌的不同物种。导致小鼠体内多形类杆菌B. thetaiotaomicron在小鼠体内的显著扩增 (图2B),卵形类杆菌豌豆纤维处理组的变化明显 (图2C),而纤维类杆菌B. cellulosilyticus和普通类杆菌B. vulgatus没有表现出显著的变化 (图2D-E)。生化分析的结果提示豌豆纤维中的阿拉伯糖和柑桔果胶中的甲基化半乳糖醛酸有可能参与了目标类杆菌的反应。

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图2.蛋白质组学鉴定豌豆纤维中的阿拉伯糖是多物种微生物的营养来源

为了验证这些推论,研究人员对单独喂养小鼠粪便样本进行宏蛋白质组学及正向遗传学分析,发现拟杆菌种编码的碳水化合物应答转录因子,类 SusC/SusD- 样转运体和碳水化合物活化酶等用于微生物感知、摄入和处理复杂聚糖的多糖利用位点 (PULs) 基因及蛋白水平豌豆纤维喂食后出现发生显著的变化 (图2F-I) 。如卵形芽胞杆菌B.ovatus PUL基因突变引起其对豌豆纤维中的不同碳水化合物对适应度下降,而糖降解途径基因重叠可能导致许多拟杆菌物种对豌豆纤维中的阿拉伯糖利用的竞争性 (图2J) 。

3. 种群间的竞争决定饮食纤维的选择性效应

接下来,研究人员进一步分析纤维状芽孢杆菌B. cellulosilyticus与其它种群的关系。在无菌小鼠中分别种植15种菌群组与去掉纤维状芽孢杆菌B. cellulosilyticus的14种菌群组合,喂食含有或不含有豌豆纤维或柑橘果胶的饮食,运用COPRO-Seq测序及粪便样本的宏蛋白质组学分析测定B. cellulosilyticus缺失导致菌群的组成变化。

研究发现在豌豆纤维存在的条件下,B. cellulosilyticus缺失并没有导致B. thetaiotaomicron增加,表明这两种菌之间在利用阿拉伯糖方面存在很小的竞争性 (图3A、B)。B. vulgatus是唯一在缺失B. cellulosilyticus菌群组存在豌豆纤维时明显扩增的肠道细菌 (图3C)。并且无论群落中是否包括B. cellulosilyticus,在暴露于豌豆纤维期间,B. vulgatus PUL27编码的蛋白质丰度及其阿拉伯糖操纵子都持续增加 (图3D) 。这些结果证实了B. vulgatus与B. cellulosilyticus之间相互竞争作用,当B. cellulosilyticus存在时,B. vulgatus抑制是由于这些生物体对豌豆纤维中的阿拉伯糖南和柑橘果胶中的半乳糖醛酸的持续竞争。

Cell:蛋白质组学揭示肠道菌群种间竞争对饮食纤维的选择性机制

图3.对群落组成的有意调控表明了豌豆纤维阿拉伯糖的种间竞争

值得一提的是,为了直接检测不同肠道微生物在体内处理相同营养物质的能力,研究人员开发了一种基于磁珠聚糖降解检测方法。将含有营养物的荧光磁性微球喂给定殖微生物群落的小鼠,肠后回收磁性微球,通过测量残留在微球表面多糖的含量,能够解读不同肠道微生物在体内处理相同营养物质的能力,及其相互间作用。这些人造食物颗粒充当了生物传感器,使研究者能够解读包含或缺失某一种肠道微生物,是如何影响菌群处理不同营养物质。

Cell:蛋白质组学揭示肠道菌群种间竞争对饮食纤维的选择性机制

图4 利用荧光磁性微球表征聚糖加工过程与群落成员的关系

综上所述,本研究发现了能够选择性增加有益微生物丰富度的纤维,并追踪了引起其作用的纤维生物活性成分。研究还发明了一种人造食物颗粒,可以用作生物传感器来监测肠道中的营养物质。破译肠道菌群成员如何争夺或协作这些纤维成分。这项研究可以用于识别能够增强肠道微生物群落,促进健康成员生长的饮食结构,也有助于开发可持续的,价格合理的膳食纤维来源。

参考文献

Michael L. Patnode, et al., 2019, Interspecies Competition Impacts Targeted Manipulation of Human Gut Bacteria by Fiber-Derived Glycans. Cell.

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