編譯：逍遙君，編輯：小菌菌、江舜堯。

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1 飲食來(lái)源的膳食纖維對(duì)腸道細(xì)菌的重要性

大多數(shù)以蛋白質(zhì)、脂肪和單糖形式存在的膳食營(yíng)養(yǎng)素在小腸中被吸收，使得它們無(wú)法被寄居在大腸的微生物群落利用。因此，從微生物群落的角度來(lái)看，飲食中含有人體宿主無(wú)法消化的復(fù)雜多糖。這些多糖來(lái)源于膳食纖維、微生物表面分子和腸道內(nèi)襯的粘膜層。此外，母乳中的寡糖混合物是宿主生命早期菌群的重要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。因此，即使在恒定的飲食條件下，腸道環(huán)境也含有多種結(jié)構(gòu)不同的碳水化合物。

腸道菌群可降解的植物多糖包括相對(duì)簡(jiǎn)單的直鏈淀粉（α-1,4葡萄糖）、阿拉伯糖（α-1,5阿拉伯糖骨架與α-1,2和/或α-1,3阿拉伯糖側(cè)鏈）和果膠半乳糖（β-1,4半乳糖），以及高度復(fù)雜的鼠李糖半乳糖醛酸II（其中包含13種不同的單糖和21個(gè)亞基之間的獨(dú)特連接）。重要的是，菌群中的一些物種可降解谷物來(lái)源的膳食纖維，包括各種β-葡聚糖（包含β-1,3和/或β-1,4葡萄糖）、木聚糖（β-1,4木糖骨架及可變側(cè)鏈）和木葡聚糖（β-1,4葡萄糖骨架及可變的α-1,6木糖起始側(cè)鏈的重復(fù)四聚體）。

腸道細(xì)菌降解的黏膜多糖主要包括糖胺聚糖（如硫酸軟骨素和肝素）、粘蛋白-N-聚糖和粘蛋白-O-聚糖這三種類型。粘蛋白-N-聚糖和粘蛋白-O-聚糖是高度復(fù)雜的支鏈多糖，分別由特異性核心寡糖連接到天冬酰胺側(cè)鏈或絲氨酸或蘇氨酸的羥基中的氮。人乳寡糖含有和粘膜多糖連接的類似的單糖，可使其在某些生物體內(nèi)以相同的途徑被分解。腸道菌群成員對(duì)宿主黏膜多糖的降解使得膳食多糖攝入量少的小鼠腸道黏膜層變薄，使得這些小鼠易感染腸道病原體。此外，宿主粘膜層釋放的唾液酸可作為條件致病菌（鼠傷寒沙門菌和艱難梭菌）的碳源。因而膳食纖維的攝入對(duì)腸道菌群組成和宿主健康至關(guān)重要。

2 擬桿菌基因組內(nèi)的多糖利用位點(diǎn)

擬桿菌門是人類腸道中最豐富的細(xì)菌門之一。擬桿菌門的成員之所以能在這種環(huán)境中生長(zhǎng)，一個(gè)原因是它們能夠分解多種宿主飲食和粘膜多糖，以及存在于其他腸道微生物表面的多糖。另一個(gè)原因是它們將其基因組含量的20%用于復(fù)雜多糖的攝取和分解。利用單個(gè)多糖所必需的基因聚集在基因組的特定區(qū)域，這里的每個(gè)區(qū)域被稱為多糖利用位點(diǎn)（Polysaccharideutilization locus，PUL）。

不管哪個(gè)多糖被PUL中編碼的蛋白質(zhì)降解，每個(gè)PUL介導(dǎo)的一般功能都是相似的（圖1）。負(fù)責(zé)這些功能的蛋白質(zhì)是以多形擬桿菌中的淀粉利用系統(tǒng)（Starch utilizationsystem，Sus）命名的，包括介導(dǎo)這些過(guò)程的轉(zhuǎn)運(yùn)、分解和調(diào)節(jié)的產(chǎn)物。淀粉的外膜束縛表面聚糖結(jié)合蛋白（Surfaceglycan-binding proteins，SGBPs）SusE和SusF結(jié)合特定的多糖。淀粉通過(guò)α-淀粉酶SusG在細(xì)胞外部分降解，其他PUL編碼類似的局部酶，該酶將結(jié)合SGBP的多糖部分降解為寡糖SusD樣蛋白與SusC樣TonB依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)同作用，結(jié)合裂解的寡糖，并將其穿過(guò)外膜轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入周質(zhì)。在周質(zhì)中，寡糖被糖苷水解酶和/或多糖裂解酶降解為較小的寡糖或轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中的單糖。每個(gè)PUL還編碼一個(gè)調(diào)節(jié)因子，在識(shí)別多糖分解的中間體后，控制PUL內(nèi)基因的轉(zhuǎn)錄。而后者在絕大多數(shù)情況下是真實(shí)的，而果糖聚合物利用的調(diào)節(jié)劑則由果糖本身激活。

圖1 擬桿菌屬分解多糖。多糖通過(guò)表面聚糖結(jié)合蛋白（SGBP，黑色）結(jié)合。外膜拴系的表面糖苷水解酶（SGH，淺藍(lán)色）將天然多糖分解成寡糖片段，通過(guò)SusD樣蛋白（紅色）結(jié)合，并通過(guò)SusC樣轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（橙色）穿過(guò)外膜（OM）。SusC樣蛋白的活性取決于TonB-ExbBD復(fù)合物（粉色）轉(zhuǎn)運(yùn)寡糖所需的能量。這些寡糖通過(guò)周質(zhì)糖苷水解酶（GH）和/或多糖裂解酶（PL，藍(lán)色）進(jìn)一步分解成較小的寡糖。跨膜調(diào)節(jié)因子（綠色）通過(guò)修飾參與多糖轉(zhuǎn)運(yùn)和分解的基因轉(zhuǎn)錄，對(duì)周質(zhì)中寡糖分解產(chǎn)物的存在作出應(yīng)答。SGBPs、SGH、SusC和SusD蛋白即使在不存在其分解和轉(zhuǎn)運(yùn)的多糖的情況下也會(huì)產(chǎn)生，但當(dāng)調(diào)節(jié)因子檢測(cè)到存在多糖分解產(chǎn)物時(shí)，它們的水平會(huì)急劇升高。二糖或單糖通過(guò)內(nèi)膜（IM）轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)。

3 擬桿菌的碳水化合物分解調(diào)節(jié)因子類型

迄今為止，已有三種類型的PUL調(diào)節(jié)器得到了表征，分別為胞漿外功能σ因子（Extracytoplasmicfunction sigma factors，ECF-σ）/抗σ因子、SusR型和混合雙組分系統(tǒng)（Hybridtwo-component systems，HTCS）（圖2）。通過(guò)對(duì)擬桿菌的(ECF-σ)/抗σ因子與大腸埃希菌中存在的因子進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)它們之間氨基酸高度一致，并提出SusC樣蛋白的多糖轉(zhuǎn)運(yùn)活性與抗σ因子的周質(zhì)面偶聯(lián)，發(fā)送跨膜信號(hào)，釋放細(xì)胞質(zhì)中的同源ECF-σ因子。這使得ECF-σ因子重編程RNA聚合酶，用于轉(zhuǎn)錄具有ECF-σ因子識(shí)別的特征序列的啟動(dòng)子。ECF-σ/抗σ調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)分解來(lái)自人乳的寡糖和來(lái)自宿主的粘蛋白O-聚糖以及其他未知碳水化合物的產(chǎn)物的表達(dá)。

圖2 擬桿菌中的碳水化合物分解調(diào)節(jié)因子類型。多糖通過(guò)特定SusC蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)被認(rèn)為是向胞質(zhì)外功能（ECF）抗σ因子傳遞信號(hào)，釋放其在細(xì)胞質(zhì)中的同源ECF-σ因子與RNA聚合酶（RNA Pol.）相互作用并促進(jìn)靶基因的轉(zhuǎn)錄。配體與SusR樣蛋白結(jié)合通過(guò)未知機(jī)制觸發(fā)轉(zhuǎn)錄激活。通過(guò)混合雙組分系統(tǒng)（HTCS）的碳水化合物傳感促進(jìn)組氨酸激酶（HK）結(jié)構(gòu)域中保守His殘基的自磷酸化，然后通過(guò)其DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域?qū)⒘姿徂D(zhuǎn)移至反應(yīng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域（RR）中的保守Asp殘基，有利于HTCS的轉(zhuǎn)錄激活。某些單糖由細(xì)胞質(zhì)調(diào)節(jié)因子感知。縮略語(yǔ)：OM，外膜；IM，內(nèi)膜。

脆弱擬桿菌中14對(duì)PUL相關(guān)/相反基因緊鄰反義sRNA。這些sRNA似乎在介導(dǎo)宿主來(lái)源（與飲食來(lái)源相反）聚糖利用的PULs上起作用。其中一些sRNAs也存在于其他擬桿菌屬中，包括卵形芽孢桿菌、普通芽孢桿菌和多形芽孢桿菌。

SusR家族成員與葡萄糖聚合物的控制有關(guān)。例如，麥芽糖與SusR蛋白的周質(zhì)面結(jié)合，從而激活Sus編碼基因的轉(zhuǎn)錄。不同的SusR型調(diào)節(jié)劑控制α-1,6-和α-1,3葡聚糖的分解。SusR樣蛋白是完整的膜蛋白，包含一個(gè)參與碳水化合物傳感的周質(zhì)結(jié)構(gòu)域和一個(gè)與特定DNA序列結(jié)合的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的確切機(jī)制目前尚不清楚。SusR蛋白家族成員被預(yù)測(cè)作為二聚體發(fā)揮作用，識(shí)別相距67或77 bp長(zhǎng)距離的正向重復(fù)序列。

HTCSs將經(jīng)典雙組分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)結(jié)合成單個(gè)蛋白質(zhì)。經(jīng)典的雙組分系統(tǒng)由一個(gè)傳感器蛋白組成，通過(guò)修飾同源調(diào)節(jié)蛋白的磷酸化狀態(tài)對(duì)信號(hào)作出反應(yīng)，同源調(diào)節(jié)蛋白通常是一種DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。信號(hào)識(shí)別促進(jìn)ATP的傳感器自磷酸化。磷酸化傳感器作為其同源調(diào)節(jié)因子的磷酸化供體，其活性通常依賴于磷酸化。在大多數(shù)情況下，HTCSs是單通道跨膜蛋白，可感知周質(zhì)信號(hào)（自身磷酸化），發(fā)生分子內(nèi)磷酸轉(zhuǎn)移，并通過(guò)與DNA結(jié)合，同時(shí)拴在內(nèi)膜上，促進(jìn)靶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

絕大多數(shù)HTCSs的傳感結(jié)構(gòu)域包含一個(gè)七葉β-螺旋槳家族（可識(shí)別長(zhǎng)度從2到8個(gè)亞基的獨(dú)特寡糖）。但控制負(fù)責(zé)果糖利用的PUL的HTCS是一個(gè)例外，其通過(guò)與位于兩個(gè)假定跨膜區(qū)域之間的I型周質(zhì)結(jié)合蛋白相似的結(jié)構(gòu)域進(jìn)行單體果糖的感知。

對(duì)HTCSs的研究揭示了與這些蛋白結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)相關(guān)的獨(dú)特的性質(zhì)。首先，純化的幾種HTCSs的感受器激酶亞結(jié)構(gòu)域充當(dāng)磷酸化供體的能力不一，這有效地為HTCSs的同源和非同源調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域提供了一個(gè)磷酸化基團(tuán)。這與經(jīng)典雙組分系統(tǒng)的傳感器相反，后者在磷酸轉(zhuǎn)移反應(yīng)中對(duì)其同源調(diào)節(jié)因子表現(xiàn)出精巧的特異性。盡管在該體外試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了松弛的特異性，但HTCS在體內(nèi)的磷酸轉(zhuǎn)移中保真度較高，可能是因?yàn)閭鞲衅鞅旧肀贿B接到其同源反應(yīng)調(diào)節(jié)因子上，從而增加了同源反應(yīng)調(diào)節(jié)因子的局部濃度。

其次，靶基因的轉(zhuǎn)錄需要HTCSs的磷酸化和分子內(nèi)磷酸轉(zhuǎn)移。因此，改變HTCS磷酸化的條件直接影響PUL的表達(dá)。例如，當(dāng)多形擬桿菌在阿拉伯聚糖存在下生長(zhǎng)時(shí)，HTCSBT0366發(fā)生磷酸化，但在葡萄糖存在下不發(fā)生磷酸化。在含有阿拉伯聚糖的培養(yǎng)基中加入優(yōu)選的多糖硫酸軟骨素可抑制多形擬桿菌中的BT0366磷酸化，從而降低阿拉伯聚糖PUL基因的mRNA水平。

最后，HTCSs被拴在內(nèi)膜的同時(shí)激活靶基因的轉(zhuǎn)錄，包括一個(gè)控制霍亂弧菌毒力的調(diào)節(jié)因子。盡管HTCS靶基因通常在編碼HTCS的相同PUL內(nèi)，但在其自身PUL內(nèi)和參與木聚糖分解的第二個(gè)PUL中的基因轉(zhuǎn)錄激活均需要木糖降解擬桿菌的HTCS。

4 擬桿菌表面相關(guān)糖苷水解酶的酶活性控制分解何種多糖

擬桿菌屬的物種在其擁有的PULs和給定PUL中基因指定的精確代謝能力方面均存在差異。例如，多形擬桿菌編碼一個(gè)用于將單糖果糖整合到糖酵解中，并分解β2-6連接果糖聚合物果聚糖的PUL。而單形擬桿菌果聚糖PUL缺乏分解果聚糖所必需的酶。然而，它編碼一種糖苷水解酶，可分解β2-1連接的果糖聚合物菊粉。相比之下，普通擬桿菌缺乏這兩種酶，因而無(wú)法代謝果糖（包括果聚糖和菊粉）。因此，特定的擬桿菌屬的物種對(duì)果聚糖分解的特異性在一定程度上受表面相關(guān)糖苷水解酶的酶活性控制。此外，多形擬桿菌果聚糖PUL中的SusD樣蛋白可與果聚糖（而不是菊粉）特異性結(jié)合，這使得細(xì)菌對(duì)多聚糖的利用更具特異性。

擬桿菌屬中各物種分解給定多糖的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)通常不同。硫酸軟骨素是一種多糖，由宿主飼料和哺乳動(dòng)物腸道粘膜中發(fā)現(xiàn)的β-D-葡萄糖醛酸和β-D-N-乙酰半乳糖胺的二糖重復(fù)單位組成，在多形擬桿菌中，HTCSBT3334控制硫酸軟骨素的利用。如下文所述，調(diào)節(jié)機(jī)制允許多形擬桿菌根據(jù)硫酸軟骨素分解的速率調(diào)整硫酸軟骨素利用基因的表達(dá)，而不是存在/不存在硫酸軟骨素本身（圖3）。

圖3 代謝通量控制多形擬桿菌中硫酸軟骨素的利用。左圖，在最初暴露于硫酸軟骨素時(shí)，未硫酸化軟骨素二糖（連接的黑色和灰色六邊形）的濃度較低。未硫酸化軟骨素二糖是調(diào)節(jié)劑（綠色）的誘導(dǎo)劑，無(wú)論是否存在其誘導(dǎo)劑，均以恒定量存在，且K_d較低（兩者親和力強(qiáng)）。糖苷水解酶（藍(lán)色）以較低的速率將未硫酸化軟骨素二糖分解成單糖（黑色和灰色六邊形），因?yàn)樘擒账饷傅乃捷^低（即，約為最大值的1%），并且具有較高的K_M（酶促反應(yīng)達(dá)最大速度）。這些蛋白的相對(duì)濃度和結(jié)合親和力允許調(diào)節(jié)因子超過(guò)糖苷水解酶對(duì)軟骨素二糖的競(jìng)爭(zhēng)，并促進(jìn)調(diào)節(jié)因子靶基因的轉(zhuǎn)錄激增。右圖，在穩(wěn)態(tài)期間，糖苷水解酶和軟骨素二糖的濃度增加，而調(diào)節(jié)劑的濃度保持恒定。糖苷水解酶和軟骨素二糖濃度的增加有利于軟骨素二糖降解為單糖，而不是與調(diào)節(jié)劑結(jié)合。軟骨素二糖量的減少減少了調(diào)節(jié)因子的活化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)因子靶基因轉(zhuǎn)錄的新的較低穩(wěn)態(tài)，包括指定糖苷水解酶的基因。

組成性表達(dá)的BT3334蛋白在未硫酸化的4,5不飽和軟骨素二糖與其周質(zhì)感應(yīng)結(jié)構(gòu)域結(jié)合后被激活。BT3334激活糖苷水解酶編碼基因的轉(zhuǎn)錄，其產(chǎn)物分解周質(zhì)中的未硫酸化軟骨素二糖。該酶降解BT3334的誘導(dǎo)配體，是硫酸軟骨素生長(zhǎng)所必需的。BT3334感應(yīng)結(jié)構(gòu)域?qū)ξ戳蛩峄浌撬囟堑挠H和力大于糖苷水解酶。因?yàn)樘擒账饷傅牧吭黾?，?/span>BT3334量保持恒定，硫酸軟骨素PUL基因的mRNA水平在暴露于硫酸軟骨素后增加，達(dá)到峰值，然后顯著降低至峰值水平的大約30-50%。

密切相關(guān)的物種Bacteroidescellulosilyticus（B. cellulosilyticus）在暴露于硫酸軟骨素后，硫酸軟骨素PUL基因持續(xù)表達(dá)。換句話說(shuō)，B.cellulosilyticus缺乏多形擬桿菌中存在的負(fù)反饋（即使培養(yǎng)基中仍存在硫酸軟骨素，也會(huì)發(fā)生負(fù)反饋）。來(lái)自B.cellulosilyticus的調(diào)控因子和糖苷水解酶基因都補(bǔ)充了相應(yīng)基因缺陷的多形擬桿菌突變體的浪涌樣行為。這些結(jié)果表明，額外的因素有助于這些相關(guān)擬桿菌屬物種在轉(zhuǎn)錄水平上呈現(xiàn)差異。

5 擬桿菌屬內(nèi)的多糖共享機(jī)制

擬桿菌屬與其他細(xì)菌密切接觸，這會(huì)引起腸道菌群成員之間的競(jìng)爭(zhēng)和共生的相互作用。擬桿菌屬使用兩種不同的多糖分解策略來(lái)阻止或促進(jìn)其他細(xì)菌獲得其多糖分解產(chǎn)物。例如，多形擬桿菌在細(xì)胞外僅降解部分酵母細(xì)胞壁多糖α-甘露聚糖（一種甘露糖聚合物）。相對(duì)較大的α-甘露聚糖多糖被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中，進(jìn)一步降解為甘露寡糖和甘露糖。這種排列阻止了不編碼這種獨(dú)特多糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的細(xì)菌物種使用部分降解的α-甘露聚糖，從而有利于那些能攝取多糖的物種的增殖。

相比之下，多形擬桿菌能夠使其他無(wú)法分解果聚糖的擬桿菌屬生長(zhǎng)。多形擬桿菌釋放含有分解左旋糖苷所需的糖苷水解酶的外膜囊泡（Outermembrane vesicles，OMV）。該糖苷水解酶的產(chǎn)物是支持?jǐn)M桿菌屬生長(zhǎng)的胞外低聚果糖。同樣，卵形擬桿菌通過(guò)釋放含有降解菊粉的糖苷水解酶的OMV，可使普通擬桿菌利用菊粉并生長(zhǎng)。令人驚訝的是，這些糖苷水解酶不是卵形擬桿菌利用菊粉所必需的，盡管需要協(xié)同糖苷水解酶來(lái)利用多形擬桿菌中的果聚糖。這一發(fā)現(xiàn)表明擬桿菌屬具有編碼產(chǎn)生公共產(chǎn)品的功能，從而有助于群體的適合性，而不是單個(gè)細(xì)菌菌株的適合性。卵形擬桿菌產(chǎn)生低聚果糖似乎不是其唯一的公共產(chǎn)品，因?yàn)槿狈ι鲜鎏擒账饷傅穆研螖M桿菌菌株促進(jìn)了其他擬桿菌屬對(duì)菊粉的利用。這種能力被歸因于一種小分子，它可能影響腸道內(nèi)不同細(xì)菌物種之間特定生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的形成。

特定多糖是通過(guò)自私還是共享機(jī)制分解，可能取決于多糖的復(fù)雜性。例如，卵形擬桿菌能夠降解各種復(fù)雜性的木聚糖多糖，包括相對(duì)簡(jiǎn)單的小麥阿拉伯木聚糖（具有兩個(gè)獨(dú)特側(cè)鏈連接的木聚糖）和復(fù)雜的玉米葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖（具有六個(gè)或更多獨(dú)特側(cè)鏈連接的木聚糖）。卵形擬桿菌降解小麥阿拉伯木聚糖可支持青春雙歧桿菌的生長(zhǎng)（不能單獨(dú)利用木聚糖）。相比之下，卵形擬桿菌不能支持青春雙歧桿菌在玉米葡萄糖醛酸阿拉伯木聚糖上生長(zhǎng)，該糖完全降解需要廣泛的周質(zhì)糖苷水解酶庫(kù)。因此，擬桿菌通過(guò)只進(jìn)行有限的細(xì)胞外降解，自私地利用復(fù)雜的多糖，同時(shí)共享分解產(chǎn)物（容易被其他細(xì)菌物種代謝的不太復(fù)雜的多糖）。

6 細(xì)胞質(zhì)調(diào)節(jié)因子

PUL基因產(chǎn)物的降解和轉(zhuǎn)運(yùn)活性主要將單糖遞送至擬桿菌細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)。除了前面提到的多糖利用的調(diào)節(jié)因子，擬桿菌屬編碼幾種細(xì)胞質(zhì)調(diào)節(jié)因子，控制單糖利用所需基因的轉(zhuǎn)錄。在多形擬桿菌中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)調(diào)節(jié)因子是FucR，它在沒(méi)有細(xì)胞質(zhì)L-巖藻糖的情況下抑制L-巖藻糖利用操縱子的轉(zhuǎn)錄。多形擬桿菌RhaR蛋白的作用方式相反，因?yàn)樗诩?xì)胞質(zhì)L-鼠李糖存在的情況下促進(jìn)鼠李糖利用位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄。

AraR是一種抑制因子，在沒(méi)有細(xì)胞質(zhì)阿拉伯糖的情況下抑制阿拉伯糖利用基因的轉(zhuǎn)錄。與L-阿拉伯糖復(fù)合的多形擬桿菌AraR蛋白和與特定DNA操縱子復(fù)合的AraR的晶體結(jié)構(gòu)顯示，AraR形成同源二聚體，AraR與L-阿拉伯糖結(jié)合導(dǎo)致的構(gòu)象變化導(dǎo)致形成同源二聚體的兩個(gè)AraR單體之間的結(jié)合更緊密，但使AraR同源二聚體對(duì)DNA結(jié)合不利。

對(duì)AraR靶標(biāo)的生物信息學(xué)研究預(yù)測(cè)，AraR除了控制L-阿拉伯糖催化操縱子的表達(dá)外，還調(diào)節(jié)與利用含阿拉伯糖多糖有關(guān)的其他基因的表達(dá)。最近一項(xiàng)研究表明，AraR較少地抑制PUL中負(fù)責(zé)阿拉伯糖（阿拉伯糖的聚合物）分解的基因表達(dá)，從而為這一預(yù)測(cè)提供了實(shí)驗(yàn)支持。這種調(diào)節(jié)允許多形擬桿菌調(diào)節(jié)阿拉伯糖分解基因產(chǎn)物的產(chǎn)生以適應(yīng)阿拉伯糖的可用性。此外，這些發(fā)現(xiàn)提出了一種可能性，即單糖分解基因的其他細(xì)胞質(zhì)調(diào)節(jié)因子可能控制含有它們感知的特定單糖的多糖的PUL基因表達(dá)。

7 擬桿菌屬對(duì)多糖存在飲食偏好

在任何給定時(shí)間內(nèi)，擬桿菌屬在腸道內(nèi)體驗(yàn)著復(fù)雜的多糖自助餐。那么是否存在多糖利用的優(yōu)先選擇？如果存在，如何實(shí)施？例如，當(dāng)多形擬桿菌同時(shí)暴露于11種多糖的混合物（包括硫酸軟骨素、右旋糖酐、肝素、高半乳糖醛酸、左旋糖苷、果膠半乳糖、阿拉伯聚糖、阿拉伯半乳糖、α-甘露聚糖、鼠李糖半乳糖醛酸I和淀粉）中時(shí)，前6種多糖分解相對(duì)應(yīng)的PULs轉(zhuǎn)錄被誘導(dǎo)，但后5種多糖的PULs轉(zhuǎn)錄受到抑制。

相比之下，當(dāng)多形擬桿菌在上述11種多糖中生長(zhǎng)時(shí)，就有這樣一個(gè)復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，先前主要表現(xiàn)出PUL活化的多糖優(yōu)先于表現(xiàn)出PUL抑制的多糖被利用（除了鼠李糖半乳糖醛酸I，盡管先前報(bào)道了PUL基因抑制，但仍表現(xiàn)出優(yōu)先生長(zhǎng)）。在對(duì)首選或非首選多糖的生長(zhǎng)過(guò)程中，也觀察到對(duì)特定多糖缺乏明顯偏好或兩種多糖的協(xié)同分解。

與人類宿主一樣，不同的擬桿菌屬表現(xiàn)出不同的飲食偏好。在分解宿主來(lái)源的粘膜-O-聚糖之前，多形擬桿菌分解硫酸軟骨素、高半乳糖醛酸、左旋糖苷和果膠半乳糖，表明飲食優(yōu)于宿主來(lái)源的多糖。相比之下，脆弱擬桿菌和Bacteroidesmassilensis在淀粉PUL之前激活特定粘膜 O-聚糖PULs的轉(zhuǎn)錄，表明在這些細(xì)菌中偏好宿主來(lái)源的多糖。

多種機(jī)制似乎控制著擬桿菌中多糖的優(yōu)先分解。一方面，活化阿拉伯PUL表達(dá)的多形擬桿菌HTCS BT0366被認(rèn)為通過(guò)與PUL內(nèi)的DNA序列結(jié)合，直接抑制特定粘膜O-聚糖利用PULs的轉(zhuǎn)錄。然而，ChIP-seq鑒定的BT0366結(jié)合位點(diǎn)與BT0366的擬定硅結(jié)合基序（預(yù)期影響差異表達(dá)粘膜O-聚糖PULs轉(zhuǎn)錄的區(qū)域）或通過(guò)電泳遷移率變動(dòng)分析（Electrophoreticmobility shift assays，EMSAs）體外鑒定的BT0366結(jié)合位點(diǎn)不對(duì)應(yīng)。這些結(jié)果表明，在存在阿拉伯聚糖的情況下，抑制特定粘膜O-聚糖PULs表達(dá)（mRNA水平的倍數(shù)變化下降）的替代機(jī)制的可能性。

另一方面，軟骨素通過(guò)減少磷酸化BT0366（阿拉伯PUL基因轉(zhuǎn)錄所需的HTCS）的量，發(fā)揮其相對(duì)于阿拉伯聚糖的偏好作用。通過(guò)首選碳水化合物抑制多形擬桿菌中不同的粘膜O-聚糖PULs需要基因上游區(qū)域指定其SusC樣和SusD樣蛋白。在脆弱擬桿菌中，粘膜 N-聚糖的利用受到順式編碼的小RNA的抑制，該小RNA在葡萄糖存在的情況下抑制PUL的轉(zhuǎn)錄。類似的機(jī)制可能是抑制多形擬桿菌粘膜O-聚糖利用的原因。

8 決定擬桿菌利用多糖的特定基因

利用非優(yōu)選碳水化合物所需的基因的轉(zhuǎn)錄激活受許多變形桿菌種中的環(huán)狀單磷酸腺苷（Cyclicadenosyl monophosphate，cAMP）受體蛋白（Receptor protein，CRP）和磷酸烯醇丙酮酸磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（Phosphoenolpyruvatephosphotransferase system，PTS）支配。擬桿菌缺乏與CRP或PTS蛋白表現(xiàn)出序列相似性的基因指定產(chǎn)物。然而，他們確實(shí)在多形擬桿菌中指定了一種蛋白命名為BT4338——這讓人聯(lián)想到CRP，因?yàn)樗诙鄠€(gè)PUL基因的表達(dá)中起關(guān)鍵作用，并且是在多種碳水化合物上生長(zhǎng)所必需的。在擬桿菌屬中未檢測(cè)到cAMP，這引發(fā)了有關(guān)控制BT4338活性的配體性質(zhì)或物理?xiàng)l件（例如，溫度或滲透壓）的疑問(wèn)。

BT4338基因是定菌鼠中幾種擬桿菌的必需條件。缺乏BT4338的多形擬桿菌不能在幾種碳水化合物（包括阿拉伯糖、巖藻糖、葡萄糖醛酸、核糖和木糖）上生長(zhǎng)。BT4338突變株在碳水化合物支鏈淀粉、α-甘露聚糖、果膠半乳糖和鼠李糖中的生長(zhǎng)也被顯著抑制。

缺乏BT4338的菌株表現(xiàn)出的表型表明BT4338蛋白能夠利用特定碳水化合物的兩種非互斥機(jī)制。一方面，BT4338可能以BT4338依賴性方式與生長(zhǎng)所必需的碳水化合物利用基因的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合。盡管BT4338調(diào)控的直接靶標(biāo)仍然未知，但基于計(jì)算機(jī)模擬分析，在其他擬桿菌屬的BT4338基因及其同系物的啟動(dòng)子區(qū)域中檢測(cè)是否存在保守的重復(fù)序列，推測(cè)了預(yù)測(cè)可被BT4338識(shí)別的DNA區(qū)域。另一方面，BT4338可能通過(guò)控制其他蛋白、小調(diào)節(jié)RNA和/或代謝物的水平和/或活性，間接調(diào)節(jié)某些靶標(biāo)。

BT4338在碳水化合物利用和哺乳動(dòng)物腸道定植中發(fā)揮的關(guān)鍵作用加強(qiáng)了代謝和宿主相互作用之間的聯(lián)系。在此背景下，變形菌門CRP蛋白對(duì)于多種單糖的利用和多種病原體的毒力是必要的。BT4338也可能獨(dú)立于多糖利用的控制，調(diào)節(jié)控制腸道中細(xì)菌存活的決定簇的表達(dá)。

本文綜述了擬桿菌屬如何利用多糖，主要結(jié)論包括以下幾點(diǎn)：

①擬桿菌屬分解宿主膳食、小腸粘膜層和其他細(xì)菌表面的復(fù)合多糖；

②多種跨膜調(diào)控蛋白控制多糖利用基因的轉(zhuǎn)錄，擬桿菌屬貢獻(xiàn)20%基因組進(jìn)行多種多糖的轉(zhuǎn)運(yùn)和分解，并調(diào)控其加工過(guò)程，這些基因成簇分布在基因組上的特定區(qū)域，成為多糖利用位點(diǎn)（PUL）；

③PUL調(diào)控因子包括胞外功能σ因子（ECF-σ）/抗-σ因子、SusR-型、雙組分雜交系統(tǒng)（HTCS）；

④多層次多種調(diào)控促進(jìn)優(yōu)先利用多糖；

⑤多糖分解的整體調(diào)控因子是擬桿菌在哺乳動(dòng)物腸道內(nèi)生存所必須。

經(jīng)過(guò)十幾年的研究發(fā)現(xiàn)擬桿菌屬中多糖的利用及其調(diào)控與變形菌門中碳水化合物利用的控制顯著不同。這些差異既可以通過(guò)缺乏與已建立的調(diào)節(jié)子同源的序列來(lái)體現(xiàn)，也可以通過(guò)經(jīng)歷碳水化合物混合物的細(xì)菌表現(xiàn)出的獨(dú)特行為來(lái)體現(xiàn)。也許這對(duì)于一個(gè)具有降解多種碳水化合物的無(wú)與倫比的能力的細(xì)菌屬來(lái)說(shuō)并不意外。揭示不同擬桿菌屬中存在的多糖偏好等級(jí)，特別是那些具有多種多糖分解功能的擬桿菌屬，可能提供對(duì)個(gè)體物種棲息在腸道內(nèi)的獨(dú)特生態(tài)位以及這些生態(tài)位的組成如何受到宿主飲食影響的見(jiàn)解。膜相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子控制多糖攝取和分解理論被廣泛接受，這提高了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)改變擬桿菌屬染色質(zhì)動(dòng)力學(xué)的可能性，鑒于在該菌屬中預(yù)測(cè)有五分之一的基因參與碳水化合物的利用，這類基因最有可能間接影響其他細(xì)胞功能（例如與細(xì)菌生理和與其動(dòng)物宿主相互作用有關(guān)的）。因此，確定控制多種多糖利用的調(diào)控因子（如BT4338）并確定其調(diào)控的靶標(biāo)將為擬桿菌屬如何控制其對(duì)腸道內(nèi)不斷變化的營(yíng)養(yǎng)條件的反應(yīng)提供重要見(jiàn)解。

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