Cell文獻解析：腸道菌群將橙皮纖維轉(zhuǎn)化為活性代謝物N-甲基-5-羥色胺

食品生產(chǎn)和加工過程中，不可避免地會產(chǎn)生“廢料”，比如果皮中的植物纖維，含有豐富的益生元物質(zhì)包括多酚和可溶性膳食纖維等非消化性碳水化合物。這些纖維可以經(jīng)過腸道菌群發(fā)酵代謝為具有生物活性的產(chǎn)物。美國圣路易斯華盛頓大學Jeffrey Gordon團隊從腸道菌群降解柑橘纖維的物質(zhì)中，鑒定出一種未被充分研究的物質(zhì)N-甲基-5-羥色胺（N-Me-5HT），并分析了該物質(zhì)對機體生理的影響，以及特定腸菌生成N-Me-5HT的可能機制，相關(guān)成果發(fā)表于《Cell》。

1. 無菌小鼠模型揭示人類腸道菌將柑橘纖維代謝為N-Me-5HT

選擇一種商業(yè)食品級柑橘纖維（orange fiber，OF），它來源于榨汁過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。為了達到實驗?zāi)康�，實驗采用的OF沒有經(jīng)過化學處理或提取蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和小分子都會保留其中。將含有和不含有OF的飲食喂食給定植14種人類腸道菌的無菌小鼠和無定植無菌小鼠21天，通過基于質(zhì)譜的代謝組學技術(shù)分析盲腸內(nèi)容物代謝物，經(jīng)標準品比對鑒定OF組獨有N-Me-5HT（圖1）。
 

為了確定是哪種酶將N-Me-5HT從柑橘纖維中釋放出來的，研究人員將柑橘纖維與13種糖苷水解酶共同孵育，發(fā)現(xiàn)只有里氏木霉菌（Trichoderma reesei）的纖維素酶能夠產(chǎn)生最大量的N-Me-5HT。將里氏木霉菌纖維素酶制劑添加到133種不同的可食用植物樣品，發(fā)現(xiàn)只有3個樣本檢測到N-Me-5HT，而這三個樣本都屬于蕓香科花椒屬，而蕓香科包含柑橘類水果。體外實驗以及體內(nèi)實驗（柑橘纖維與豌豆纖維）結(jié)果表明N-Me-5HT主要存在于柑橘類纖維中。

2. N-Me-5HT對宿主存在多種生理影響

給與C57BL/6J無菌小鼠補充N-Me-5HT（低劑量1 mg/kg/day , 高劑量50 mg/kg/day，21天），觀察干預(yù)后宿主的生理和代謝變化（圖2A）。結(jié)果表明，高劑量N-Me-5HT能夠降低體重和附睪脂肪量（圖2B和C）,并且影響小鼠的肝糖原代謝（圖2D-F）。除此之外，肝臟中716個基因表達發(fā)生顯著變化，這些基因與晝夜節(jié)律和脂肪酸代謝有關(guān)。結(jié)腸中748個基因表達發(fā)生顯著變化，也與晝夜節(jié)律有關(guān)。晝夜節(jié)律相關(guān)的基因在協(xié)調(diào)結(jié)腸運動的腸肌叢中存在表達，進而發(fā)現(xiàn)N-Me-5HT可以縮短腸道轉(zhuǎn)運時間（圖2H）。

3. 生成N-Me-5HT的相關(guān)菌種

將14個菌種分別在TYG培養(yǎng)基中進行單獨培養(yǎng)，濃度為105，加入10 mL 5mg/mL OF培養(yǎng)8h、24h、48h、72h和168h。其中Bacteroides ovatus和Parabacteroides distasonis在72小時產(chǎn)生的N-Me-5HT最多（圖1C)。
 

根據(jù)體外實驗結(jié)果，從14種細菌中篩出4種產(chǎn)生N-Me-5HT的細菌（B. ovatus, P. distasonis, B. finegoldii, C. aerofaciens）進行體內(nèi)實驗。分別設(shè)置4種菌聯(lián)合定植、14種菌聯(lián)合定植、10種菌聯(lián)合定植（4種菌除外），結(jié)果證明4種菌聯(lián)合定植小鼠糞便中N-Me-5HT顯著高于10種菌聯(lián)合定植小鼠。體重、附睪脂肪、腸道轉(zhuǎn)運時間方面，4種菌聯(lián)合定植小鼠表現(xiàn)與口服N-Me-5HT小鼠表現(xiàn)更為接近（圖3C-G）。

4. 生成N-Me-5HT的相關(guān)基因

通過培養(yǎng)實驗，比較B. ovatus TSDC 17.2與其他卵形擬桿菌菌株產(chǎn)生N-Me-5HT的能力，確定了不同菌株之間的代謝差異。另外，這種代謝能力還取決于培養(yǎng)基所使用的生長介質(zhì)，數(shù)據(jù)證明這些菌株從柑橘纖維中代謝生成N-Me-5HT需要培養(yǎng)基中含有血紅素。對12株B. ovatus進行基因組和功能基因組分析，篩選出133個基因（圖4C）。這些基因涉及多個多糖利用位點(PULs)，這些PULs編碼的蛋白質(zhì)(SusC和SusD同系物)參與各種糖鏈結(jié)構(gòu)的結(jié)合和導(dǎo)入，以及催化其降解的碳水化合物活性酶(CAZymes) (GHs和PLs)。

5. 臨床上N-Me-5HT與腸道微生物組的CAZyme基因豐度相關(guān)

通過雙胞胎對照干預(yù)實驗，比較柑橘纖維和豌豆纖維干預(yù)后受試者糞便中N-Me-5HT水平差異。結(jié)果表明，食用柑橘纖維的98%受試者糞便中都檢出N-Me-5HT，且其含量與每天食用的柑橘纖維量明顯相關(guān)。相比之下，食用豌豆纖維受試者的糞便樣本中，87%檢測不到N-Me-5HT。但在食用柑橘纖維或豌豆纖維后，卵形擬桿菌的相對豐度和任何細菌類群在糞便微生物群中的相對豐度與第5周末的N-Me-5HT水平不存在統(tǒng)計學上的顯著相關(guān)，而與CAZyme存在顯著相關(guān)性。其中N-Me-5HT與PL9（鼠李半乳糖醛酸聚糖裂解酶）正相關(guān)最強（圖5B），其次是GH5_37，據(jù)報道它對β-葡聚糖/纖維素具有特異性。這些臨床研究結(jié)果顯示，糞便中N-Me-5HT含量具有柑橘纖維特異性和劑量依賴性，其濃度與編碼CAZymes的微生物組基因豐度呈正相關(guān)。

小結(jié)

鑒于食品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品越來越多，如何更好地利用這些“廢料”是很重要的。這項研究采用定植了人類腸道微生物的無菌小鼠，通過體內(nèi)體外試驗，證明N-Me-5HT由腸道菌群中的特定菌種對特定纖維進行代謝生成，從而對宿主產(chǎn)生表型影響。

 

參考文獻

Microbial liberation of N-methylserotonin from orange fiber in gnotobiotic mice and humans. Cell. 2022.

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