单形拟杆菌降解β-葡聚糖促进约氏乳杆菌上调吲哚-3-乳酸水平进而改善肠道炎症

南昌大学聂少平教授（通讯作者）、谢明勇院士（通讯作者）等人在微生物领域国际权威期刊Microbiome发表题为“Bacteroides uniformis degrades β-glucan to promote Lactobacillus johnsonii improving indole-3-lactic acid levels in alleviating colitis”的研究性论文，揭示了青稞β-葡聚糖（BG）通过约氏乳杆菌（Lactobacillus johnsonii）-吲哚乳酸-芳香烃受体轴改善肠道炎症的分子机制，首次发现并阐明了L. johnsonii与单形拟杆菌（Bacteroides uniformis）通过代谢物的交互喂养关系。南昌大学食品学院博士后张珊珊、南昌大学食品科学与资源挖掘全国重点实验室特聘研究员聂启兴、南昌大学食品学院博士后孙永敢为本文的共同第一作者。

BG干预可有效改善结肠炎小鼠（3%葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导）的体重下降、便稀、便血，改善结肠萎缩，保护结肠组织结构完整性与杯状细胞数量，降低肠道中与中性粒细胞相关的髓过氧化物酶水平与炎性细胞因子TNF-α、IL-6水平。综上，BG具有改善肠道炎症的作用。

图 BG可改善结肠炎小鼠相关表型。（A）动物实验流程图；（B）体重；（C）疾病活动指数；（D）直肠与粪便代表性图片；（E）结肠代表性图片与结肠长度；（F）HE染色与评分；（G）AB/PAS染色与评分；（H）结肠MPO水平；（I）结肠TNF-α水平；（J）结肠IL-6水平

生物活性多糖对肠道菌群的功能和结构具有重要影响。研究发现，BG可改善菌群失调，逆转因结肠炎导致的乳杆菌属（Lactobacillus）的减少。关联性分析结果表明，Lactobacillus的丰度与结肠炎严重程度显著负相关。进一步的动物实验结果表明，BG无法改善肠道菌清除小鼠的肠道炎症。此外，将BG干预后小鼠的粪菌移植给肠道菌清除小鼠，可有效帮助其抵抗结肠炎的发生发展。综上，BG依赖于肠道菌群改善肠道炎症。通过体外培养与细菌基因测序，发现BG主要引起L. johnsonii的富集。

图 BG干预显著促进L. johnsonii增殖。（A）α多样性；（B）β-多样性；（C）属水平堆叠图；（D）LEfSe分析；（E）指示分析；（F）菌群与表型相关性热图；（G）体外发酵示意图；（H）体外菌群属水平堆叠图；（I）体外菌群LEfSe分析；（J）体外筛菌与结果。

肠道菌群产生的代谢产物在维护肠道稳态和宿主健康中扮演重要角色。通过动物实验，发现L. johnsonii干预可有效缓解DSS诱导的小鼠结肠炎，而热灭活的L. johnsonii对结肠炎的保护作用消失。结肠转录组分析结果表明，L. johnsonii显著激活了芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）信号通路，促进下游抗炎因子IL-22和粘蛋白Muc2的分泌。代谢组学分析结果表明，L. johnsonii可产生大量吲哚乳酸（indole-3-lactic acid，ILA），其为一种AhR激动剂。进一步的动物实验结果表明，ILA干预可显著缓解结肠炎。采用CH223191抑制小鼠AhR的激活，发现ILA和L. johnsonii对小鼠结肠炎均无明显改善作用，该结果证实了AhR的激活在L. johnsonii与ILA缓解结肠炎中的必要性。通过回顾BG相关的体内研究结果，在BG干预后的结肠炎小鼠中同样发现ILA的增加与AhR信号通路的激活。

综上，研究发现并证实了β-葡聚糖通过L. johnsonii-ILA-AhR轴改善肠道炎症的重要机制。

图 L. johnsonii激活AhR信号通路抵抗结肠。（A）动物流程示意图；（B）L. johnsonii定殖分析；（C）体重；（D）疾病活动指数；（E）结肠长度；（F）结肠MPO、TNF-α、IL-6水平；（G）HE与AB/PAS染色代表性切片；（H）病理评分；（I）杯状细胞数量；（J）转录组PCA分析；（K）差异基因火山图；（L）AhR通路与肠屏障相关基因的表达情况；（M）网络图；（N）AhR通路相关基因的qPCR定量分析；（O）结肠IL-22水平；（P）结肠Muc2的免疫组化分析；（Q）BG干预小鼠中AhR通路相关基因的qPCR定量分析；（R）真菌来源BG相关受体的激活情况；（S）结肠IL-22水平；（T）结肠Muc2的免疫组化分析。

图 L. johnsonii产生的ILA可改善结肠炎。（A）非靶代谢PCA图；（B）样品与标品中ILA子离子的镜像图；（C）ILA离子峰色谱图；（D）韦恩图；（E）相关性网络图；（F）吲哚类代谢物靶向定量分析；（G-I）无菌鼠L. johnsonii干预与ILA分析；（J-L）SPF小鼠L. johnsonii干预与ILA分析；（M-U）ILA与AhR抑制剂干预对结肠炎小鼠的影响。

体外研究表明，L. johnsonii无法直接降解BG，同时BG也无法直接促进L. johnsonii的增殖。然而，BG在小鼠体内和混菌发酵体系中均能引起L. johnsonii的富集。通过对体内外菌群测序数据的回顾性分析，发现L. johnsonii与单形拟杆菌（Bacteroides uniformis）的丰度显著正相关。研究表明，B. uniformis具有降解BG并促进L. johnsonii增殖的能力。进一步的研究发现，B. uniformis主要是通过降解BG以及代谢所产生的烟酰胺（NAM）共同促进L. johnsonii增殖。敲除cobB基因以构建NAM产生缺陷的B. uniformis菌株，并在体内外均证实该菌株无法促进L. johnsonii增殖，说明NAM对于L. johnsonii增殖具有重要作用。

图 B. uniformis降解BG促进L. johnsonii增殖。（A）L. johnsonii以BG为唯一碳源的生长曲线；（B）菌群相关性网络图；（C）B. uniformis与L. johnsonii丰度相关性分析；（D）B. uniformis以BG为唯一碳源的生长曲线；（E）共培养分析；（F-J）分段式培养与代谢物挖掘；（K）NAM培养L. johnsonii的生长曲线；（L-U）NAM干预对结肠炎小鼠的影响以及对L. johnsonii丰度的影响。

图 BU△cobB对L. johnsonii增殖的影响（A-D）BU△cobB敲除菌构建与验证；（B）BU△cobB敲除菌对L. johnsonii增殖的影响；（F-P）BU△cobB敲除菌对结肠炎小鼠的影响。

多项研究已表明，IBD患者肠道内AhR配体的水平显著低于健康对照，这可能会导致肠道黏膜免疫功能受损。此外，IBD患者肠道中也普遍存在Lactobacillus匮乏的现象。因此通过膳食干预提高乳杆菌丰度与AhR配体的水平或为预防和管理IBD的重要策略。

研究人员在健康成年人中进行了一项干预性研究，发现连续2周服用5 g BG可增加健康受试者粪便中B. uniformis、L. johnsonii的丰度和ILA的浓度，且L. johnsonii的丰度与ILA水平和B. uniformis的丰度之间存在正相关关系。因此，BG的补充可促进肠道内乳杆菌增殖以及ILA增加，为IBD患者提供一种新的膳食管理策略。但BG在IBD患者中的临床应用潜力仍需在未来的研究中进行更为深入的探索与验证。

图 BG干预对健康受试者特定细菌与代谢物的影响 （Q）BG干预对健康受试者粪便中B. uniformis、L. johnsonii丰度的影响；（R）对粪便ILA水平的影响；（S,T）L. johnsonii丰度分别与ILA水平、B. uniformis丰度的相关性分析。