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宏基因组文献解读|工业化社会人类肠道纤维素降解细菌的隐秘多样性

 

简介

 

人类肠道微生物帮助消化纤维素,但直接证据有限。本研究发现一种源自反刍动物肠道并在驯化过程中进入人体内的瘤胃球菌类群,能在人体内构建多功能纤维素体以分解植物细胞壁多糖。

 

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这类菌在古代及传统生活方式人群中普遍存在,而在现代工业化社会中稀少,暗示随着生活方式工业化,这些有助于消化纤维素的微生物可能会减少甚至消失。

 

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英文标题:Cryptic diversity of cellulose-degrading gut bacteria in industrialized humans

中文标题:工业化社会人类肠道纤维素降解细菌的隐秘多样性

发表期刊:Science

影响因子:56.9

发表时间:2024年03月

作者及单位:Sarah Morais等,以色列本·古里安大学

 

技术路线

 
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部分主要结果

 

1. 人类肠道菌群中纤维降解物种的检测

 

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纤维素体复合体是模块化组装的复杂结构,包含结构蛋白和酶,专攻难降解的植物纤维(图A)。其中scaC基因编码一种确定的纤维素体支架蛋白,迄今为止仅在Ruminococcus属中已知。CttA是一种将细菌与纤维素结合的纤维素体蛋白,是R. flavefaciens的标记基因,而在人类肠道R. champanellensis中不存在,因此CttA基因可以特异性地用于区分两种密切相关的产生纤维素体的物种。

 

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人类相关的MAG被分为四个不同的分支(图B),其中R. champanellensisR. hominiciens的纤维素体数量高。R. hominiciens包含的ScaC序列在系统发育上更接近R. flavefaciens,且包含CttA标记基因,该分支间的平均相似性高达99%,但与R. flavefaciens、R. champanellensis只有95.8%、92.7%的相似性(图C),说明R. hominiciens是属于瘤胃球菌属中的一个独特物种。同时也发现了新物种R. ruminiciens、R. primaciens

 

2. 非工业化背景下人源纤维降解菌的流行率

 

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人类相关菌(R. primaciens、R. hominiciensR. ruminiciens)的流行率在不同的群体中表现出显著差异(图A),且分布广泛(图B)。从类人猿到人类,从非工业化生活方式转变为工业化生活方式时,相关菌展现出陆续丢失的趋势。

 

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高纤维摄入(如非工业化国家)与菌株多样性增强相关,而工业化国家样本中仅发现单一纤维分解菌株,暗示低纤维摄入可能导致菌种间的竞争排除(图Cii)。相反,在狩猎采集者和社会及非工业化国家人群样本,以及猿类和其它非人灵长类动物样本中,观察到两种及以上瘤胃球菌属组合,推测纤维丰富的饮食减少了竞争,扩大了生态位,使得菌株通过基因编码的碳水化合物代谢变化占据不同生态位,从而在这些样本中体现出更高的纤维分解菌多样性(图Ci)。

 

3. 瘤胃球菌素在人体肠道中的定殖

 

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在所有进化树中,蛋白质依据各自宿主聚类(图3),即人类、非人灵长类动物和反刍动物,这暗示了宿主体内克隆多样化和潜在物种分化,除两株例外:一株为人源性R. primaciens(MAG),另一株对应人源性R. ruminiciens MAG,两者均来自人类样本,表明可能近期从非人灵长类动物和反刍动物向人类肠道发生了转移。

 

4. 纤维素体所具有的功能性纤维降解活性和纤维素结合活性

 

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为了探究这些蛋白质片段形成纤维素体的可能性采用了一种匹配融合蛋白的方法,测量了7种cohesin和6种dockerin模块的结合能力。在测试的36种潜在相互作用中,确认了10种积极的相互作用,能预测这些模块在纤维素体组装中的可能性(图A)。

 

提出的R. primaciens纤维素体结构(图B)类似于从反刍动物体内分离出的R. flavefaciens菌株已知的纤维素体组织形式。在R. primaciensR. flavefaciens菌株中,支架蛋白表现出类似的相互作用模式:即ScaA和ScaC支架蛋白的dockerins通过差异化的粘连-对接相互作用与ScaB的粘连蛋白相互作用(图A)。这两种菌株中纤维素体的核心构建单元之间存在着相似的组装规律和相互作用方式。

 

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挑选了一个GH5型纤维素酶进行生化性质及其纤维素分解活性的特性分析,因为这种类型的GH5基因在大多数MAGs中都存在。该GH5酶在微晶纤维素作为底物的情况下表现出了纤维素分解活性(图C),并且其酶活范围与R. flavefaciens FD-1菌株中同源蛋白相当(两者序列相似度为68%)。

此外还纯化了来自R. hominiciens的CttA蛋白,并发现它对微晶纤维素有强烈的结合能力(图D),这表明由于CttA蛋白与细胞壁锚定的支架蛋白ScaE的相互作用(图B)这些细菌细胞会与纤维素结合。

 

5. 特定的宿主肠道适应

 

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PCA分析展示瘤球菌的宿主特异性(图A),比较核心蛋白与宿主特异性直系同源的垂直值发现前者明显更高(图B),由不同纤维体菌株编码的糖苷水解酶(GH)家族根据其宿主分为不同的簇,进一步证实了宿主对纤维降解的适应(图C)。尽管各菌株在纤维体基因含量及其表达水平上存在高度相似性,但与纤维体适应不同生态系统相关的基因存在和不存在的微调差异在表达谱中也很明显(图D)。

 

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通过Kruskal-Wallis测试分析不同物种的纤维降解基因库,突出了能够在统计学上区分与三种肠道生态环境相关菌株的特定GH家族(图E)。这表明在不同的宿主肠道生态系统中,有特定的宿主相关饮食成分触发这些宿主特异性基因的表达。

 

参考文献:

Sarah Moraïs et al., Cryptic diversity of cellulose-degrading gut bacteria in industrialized humans. Science 383, eadj9223(2024).

 


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