【Cell】肠道菌群在此处不要动，且等我买个橘子

前言

今夏各地的极端高温已经持续了将近2个月，高温干旱天气影响果树等农作物生长。气候变化将导致全球人口粮食危机，而西方国家的饮食习惯使大量的副产品植物纤维被浪费。经过简单食品加工方法产生的副产物植物纤维其实是多种自然发生的具有生理活性分子的生物储存库。来自圣路易斯华盛顿大学Nathan D. Han的研究团队从环保的角度出发，揭示了人类肠道菌群能够从柑橘纤维中释放并利用N-甲基-5-羟色胺，减少肥胖，改变肝糖生成，缩短肠道运输时间并改变肝脏和结肠中调节昼夜节律的基因表达，为利用膳食纤维建立健康饮食结构提供了新的策略和见解。

背景介绍

人口增长、气候变化带来的生存威胁以及与之相关的环境可持续性挑战使人们将注意力集中在粮食生产上，包括对粮食生产过程中产生的大量无机和有机副产品的管理。植物纤维代表了一个潜在的巨大且大部分未确定特征的天然分子储存库，可能具有促进健康的作用。

全球每年年产大量柑橘。工业加工柑橘总重量的近一半用于生产果汁并产生数千万吨柑橘废物。提高柑橘废物价值的一个策略是通过提取有价值的化合物，包括精油、黄酮类化合物、果胶和膳食纤维。

目前广泛的研究表明人类肠道菌群对机体有重要作用，它们能影响体重和消化能力、抵御感染和自体免疫疾病的患病风险等。肠道菌群还能够识别膳食纤维成分中的代谢产物，增加膳食纤维摄入量与改善健康状况之间的关联已被广泛认可。

5-羟色胺是一种重要的神经递质，被广泛的认为能够调整情绪和睡眠，并能够改善胃肠道功能。N-甲基-5-羟色胺与5-羟色胺结构相似，本文中对其功能进行进一步的研究。

01  被丢弃的植物纤维中难接触的化合物被肠道微生物释放

02  柑橘纤维中的N-甲基-5-羟色胺的释放具有物种水平的特异性

03  N-甲基-5-羟色胺影响无菌小鼠的肥胖、代谢和肠道运动

04  N-甲基-5-羟色胺和细菌碳水化合物活性酶在食用柑橘纤维的人类中是相关的

研究内容
 

01
 

作为表征肠道细菌类释放纤维相关生物活性成分的出发点，研究者选择了一种商业化食品级柑橘纤维来源，该来源来自榨汁过程的副产物，没有经过化学处理及提取，对原始生物成分保留较好。接下来对2组成年C57BL/6J无菌小鼠定植了测序得到的人类肠道14个菌株组成的菌群，另2组小鼠保持无菌。这4组小鼠在添加或不添加10%橘纤维的情况下，自由喂食21日的高饱和脂肪、低水果和蔬菜膳食（HiSF-LoFV膳食饲料）。对获取的盲肠内容物进行LC-Qtof-MS/MS分析显示，在食用补充橘纤维饮食的定植小鼠中，与其他3个实验组相比，盲肠内容物中有116个特征增加至少3倍。其中N-甲基-5-羟色胺显著特征仅在喂食补充橘纤维饮食的定植小鼠中大量存在，并且在14个定植的菌株中，卵形拟杆菌菌株和狄氏副拟杆菌释放N-甲基-5-羟色胺量最高。随后研究者对其他农作物中的N-甲基-5-羟色胺含量进行检测，包括玉米、小麦、水稻和木薯等全球主要粮食以及美国常见的水果和蔬菜，却只在三个来源的样本中检测到，显示了柑橘纤维的特殊性。
 

Figure1. Colonization and orange-fiber-dependent accumulation of N-methylserotonin in the intestines of gnotobiotic mice.

02
 

为了探索N-甲基-5-羟色胺的宿主效应，研究者首先检测了它是否能在小鼠体内代谢。结果表明，小鼠不能直接代谢N-甲基-5-羟色胺。后续实验中给12周龄无菌C57BL/6J小鼠喂食未补充橘纤维的HiSF-LoFV饮食，并通过其饮用水额外给予N-甲基-5-羟色胺21日。与未经治疗组相比，口服较高量的N-甲基-5-羟色胺使附睾脂肪量显著减少、肝糖原显著增加、代谢前体尿苷等显著减少、糖原分解/糖异生形成关键代谢中间产物也显著减少。基于这些结果，研究者检测了受试小鼠肝脏和结肠中的基因表达，发现差异基因与昼夜节律和脂肪酸相关的GO生物通路相符合。有研究表明与昼夜节律相关的基因在协调结肠运动的肠肌丛中表达，研究者又对受试鼠胃肠道传输时间进行了检测。实验结果显示，N-甲基-5-羟色胺能显著减少肠转运时间/增加运动能力。
 

Figure 2. Effects of orally administered N-methylserotonin in germ-free mice.

03
 

研究者筛选了24种其他系统发育多样性的人类肠道细菌菌株，但没有一种菌株产生了大量的N-甲基-5-羟色胺。并且卵形拟杆菌菌株和狄氏副拟杆菌都不能产生高水平的N-甲基-5-羟色胺。基于这些体外研究结果，继续使用这两种菌株在三组成年C57BL/6J无菌小鼠中定植，结果显示各联合体内的所有菌株均能在受体动物上定植。定植4个菌群的小鼠总生物量比定植14个菌群的动物低2倍。对粪便样本分析显示，定植4/14个菌群小鼠中，N-甲基-5-羟色胺水平高于10个菌群组，体重增长和附睾脂肪垫质量显著较低，肠道传输时间也显著减少。该结果显示了人体肠道细菌菌株从添加橘纤维的HiSF-LoFV饮食中释放N-甲基-5-羟色胺的特异性和宿主生理效应。
 

Figure 3. Specificity and host physiologic effects of N-methylserotonin release from the orange-fiber-supplemented HiSF-LoFV diet by human gut bacterial strains in vivo.

04

研究者采用比较基因组学和功能基因组学方法来表征从橘纤维中释放N-甲基-5-羟色胺的机制。为了鉴定与N-甲基-5-羟色胺释放相关的基因，对所有12株卵形拟杆菌进行了基因组测序，并注释了所有已知或预测的编码蛋白，确定了133个基因。橘纤维中含有高半乳糖醛酸、鼠李半乳糖醛酸、木聚糖和阿拉伯糖等结构。而拟杆菌属具有多个多糖利用位点。这些位点编码的蛋白质参与各种糖结构的结合和输入，以及催化其降解的碳水化合物活性酶。研究者发现卵形拟杆菌TSDC 17.2株和115株的多糖利用位点保守性和共向性均很高，可以通过表达聚糖的降解酶来释放纤维中的N-甲基-5-羟色胺，而人类基因组中缺乏这种酶，这种酶起到了分子剪刀的作用，可以分解橘纤维中的复杂糖类结构释放N-甲基-5-羟色胺。

Figure4. In vitro B. ovatus strain-specific N-methylserotonin‘mining’phenotypes and identification of candidate genes involved in its release from the OF preparation.

05

为了评估这些体外分析和小鼠模型的结果对人类的可转化性，研究者分析了两项临床试验参与者的粪便样本。对受试者给予柑橘纤维和豌豆纤维的零食，评估采掘在不同背景饮食中是否稳健，对橘纤维是否表现出特异性，以及是否依赖于摄入的橘纤维量。结果表明，摄入柑橘纤维零食的与摄入豌豆纤维零食的人群相比有着较高水平的N-甲基-5-羟色胺，卵形拟杆菌的丰度在食用期间有显著差异，碳水化合物活性酶CAZyme基因（β葡聚糖/纤维素酶、半乳聚糖等）也显著上调。综上所述，临床结果揭示了粪便中N-甲基-5-羟色胺的橘纤维特异性、剂量依赖性积累，其中N-甲基-5-羟色胺的浓度与编码果胶聚糖靶点CAZymes的微生物组基因的丰度呈正相关。

Figure 5. Dose-and fiber-dependent accumulation of N-methylserotonin of adult dizygotic twin pairs consuming fifiber snack food prototypes.

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