文章题目：Alginate oligosaccharide assimilation by gut microorganisms and the potential role in gut inflammation alleviation

发表期刊：Applied and Environmental Microbiology

影响因子：3.7（2025）

通讯单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，青岛海洋科学与技术国家实验室

        海藻作为东亚沿海地区传统饮食的重要组成部分，越来越多的研究证明，其主要成分褐藻胶及其寡糖（AOS）因具有多种生物活性。但这些物质在肠道中的代谢机制及其对健康的影响仍需深入探究。通过解析肠道微生物利用褐藻胶利用位点（AUL）的作用机制，研究人员揭示了不饱和褐藻寡糖（uAOS）在调控短链脂肪酸与氨基酸代谢中的关键作用。结果表明，肠道微生物对uAOS的代谢会引发细胞代谢物的变化，这种调节作用可能对维持肠道生理功能和整体健康具有潜在价值。

        研究首先通过对人类微生物组计划（HMP）数据库的分析，发现35株携带假定褐藻胶裂解酶的菌株分布于拟杆菌门、变形菌门、放线菌门和厚壁菌门中(Fig. 1A)。其中，8株拟杆菌和1株变形菌被证实具有功能性褐藻胶利用位点（AUL），这些AUL通常包含转录调节因子（GntR）、褐藻胶裂解酶、膜转运蛋白（SusC和SusD）以及参与下游糖醛酸代谢的相关蛋白（Fig. 1B）。研究者选取从日本人群粪便中分离的克拉鲁斯拟杆菌（Bacteroides clarus）YIT 12056作为模式生物，因其所在人群常大量食用海藻，可能在长期进化中形成了对褐藻胶的代谢适应。

Fig. 1 人类肠道微生物群含有褐藻胶利用位点

            实验结果显示，克拉鲁斯拟杆菌无法直接代谢褐藻胶或酸水解产生的饱和褐藻寡糖（sAOS），但能以酶解产生的不饱和褐藻寡糖（uAOS）为唯一碳源生长（Fig. 2A）。生长曲线和薄层色谱（TLC）分析进一步证实，该菌在uAOS培养基中可快速消耗聚合度大于2的寡糖，而在葡萄糖培养基中则呈现典型的对数生长期特征（Fig. 2B）。转录组分析表明，在uAOS培养条件下，AUL中的基因表达显著上调，其中编码SusC、SusD和褐藻胶裂解酶的基因表达上调最为显著（Table 1）。这一结果通过qPCR验证得到了进一步确认，提示AUL在uAOS代谢中发挥核心作用。

Fig. 2 不饱和褐藻寡糖支持B.Claris的生长

Tab. 1 RNA-seq和qPCR结果

            为揭示AUL的调控机制，研究者通过电泳迁移率变动分析（EMSA）发现，BcGntR蛋白可特异性结合到BcalyPL17和BcsusC基因的上游启动子区域，从而抑制AUL的双向转录（Fig. 3A, B）。这一抑制作用在大肠杆菌异源表达系统中得到验证，当BcGntR与启动子驱动的GFP共表达时，GFP荧光显著减弱（Fig. 3C）。而当存在uAOS混合物（聚合度1-4）时，这种抑制作用被解除，其中不饱和二糖被证实是最有效的效应分子（Fig. 3D）。与海洋细菌Zobellia galactanivorans的AusR调节因子不同，克拉鲁斯拟杆菌的BcGntR不受不饱和三糖的调控，体现了肠道细菌对uAOS代谢的特异性适应。

Fig. 3 BcGntR调控AUL的双向转录

        克拉鲁斯拟杆菌的AUL编码两种褐藻胶裂解酶BcAlyPL6和BcAlyPL17，二者具有互补的底物特异性：BcAlyPL6偏好降解聚古罗糖醛酸（polyG）和杂合片段（polyMG），而BcAlyPL17则优先作用于聚甘露糖醛酸（polyM）(Fig. 4A)。这两种酶均为外切酶，主要产物为不饱和单糖，后者可自发转化为4-脱氧-L-赤藓糖-5-己酮糖醛酸（DEH），导致235 nm处的吸光度下降。二者协同作用可完全降解混合褐藻胶片段（Fig. 4B），产生的不饱和二糖（m/z 351）还能进一步激活AUL的转录，形成正反馈调节。Western blot分析显示，BcAlyPL6锚定在内膜，而BcAlyPL17主要分布于周质空间，胞内外酶活性测定也证实降解过程主要发生在细胞内（Fig. 4C, D）。

Fig. 4 褐藻胶裂解酶BcAlyPL6和BcAlyPL17对uAOS的解聚作用机制

            AUL中编码的BcAae蛋白被证实具有脱乙酰基活性，能特异性去除细菌来源褐藻胶中的乙酰基团，使乙酰化程度降低约40%（Fig. 5A），并显著提高内切褐藻胶裂解酶AlgAT0的降解效率（Fig. 5B）。这一发现提示，克拉鲁斯拟杆菌可能通过降解其他细菌产生的乙酰化褐藻胶，在肠道微生物的交叉喂养（cross-feeding）中占据生态位优势。结合各组分的定位和功能，研究者提出了AUL的工作模型：uAOS首先经胞外的BcAae脱乙酰化和BcAlyPL17初步降解后，由SusC-SusD复合体转运至周质空间，随后在周质中的BcAlyPL17和内膜锚定的BcAlyPL6作用下进一步降解为单糖；不饱和二糖作为信号分子解除BcGntR的抑制，而单糖则通过BcKdgF、BcSDR和BcKdgK的作用转化为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG），最终进入Entner-Doudoroff途径进行代谢(Fig. 6)。

Fig. 5 bcaae的脱乙酰化活性

Fig. 6 AUL在B. clarus中的工作模式

            碳源代谢分析显示，当以uAOS为唯一碳源时，克拉鲁斯拟杆菌的发酵产物发生显著变化：乳酸与乙酸的摩尔比从葡萄糖培养时的2:1转变为uAOS培养时的1:3.75，琥珀酸产量则大幅下降。这一转变与NADH的消耗密切相关—SDR酶催化DEH转化为KDG的过程消耗NADH，导致用于乳酸生成的还原当量不足，细胞转而通过增强乙酸生成途径维持redox平衡(Fig. 7)。同时，多种氨基酸代谢通路的上调为细胞提供了额外的还原当量，体现了uAOS代谢对细菌整体代谢网络的重塑作用。

Fig. 7 基于RNA-seq数据，由uAOS利用调控的基因的假设通路

        在葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的小鼠结肠炎模型中，uAOS干预显著减轻了小鼠的体重下降和临床症状评分(Fig. 8A, B, C)。16S rRNA基因全长测序显示，uAOS可抑制DSS诱导的拟杆菌属和螺杆菌属扩张，同时富集酸拟杆菌（Bacteroides acidifaciens）和Turicibacter属细菌，其中酸拟杆菌的基因组中也发现了潜在的AUL（Fig. 8D）。代谢组学分析表明，uAOS可恢复16种因DSS处理而异常的粪便代谢物，包括脂肪酸、碳水化合物和胆汁酸，并显著提高12种氨基酸的含量（Fig. 8E）。相关性分析显示，这些氨基酸的富集与酸拟杆菌和Turicibacter的丰度呈正相关，且外源性补充这些氨基酸可减轻DSS诱导的体重损失，提示氨基酸代谢可能是uAOS缓解结肠炎的重要机制之一。

Fig. 8 uAOS通过重塑肠道微生物群和代谢组来保护小鼠免受DSS诱导的结肠炎

        总结：

        综上所述，这项研究揭示了肠道微生物通过AUL代谢uAOS的分子机制，阐明了这一过程如何通过调节肠道菌群结构和代谢产物组成来缓解肠道炎症。鉴于AUL在人类肠道微生物组中的分布相对稀少，uAOS有望作为一种精准的益生元，通过靶向调节特定菌群来改善肠道健康。这一发现不仅为传统海藻的健康功效提供了科学解释，也为开发基于褐藻寡糖的新型肠道疾病干预策略奠定了理论基础。未来研究可进一步探索uAOS与不同肠道菌群背景的互作关系，为个性化营养干预提供依据。

原文链接：https://journals.asm.org/doi/epub/10.1128/aem.00046-24

作者：汪浩

审核：李全才、邵萌

编辑：郭青云

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