Nature新文章解析糖代谢

研究人员针对一种肠道菌——拟杆菌Bacteroidetes进行研究，揭示了它们代谢复杂糖类xyloglucan的机制。本期的Nature杂志发表了这篇文章，文章指出，一段特殊的基因序列是拟杆菌赋代谢XyG的关键。

　　

生物通报道：我们都知道膳食纤维对健康有益。但膳食纤维到底是什么，我们又是如何代谢它的呢？

膳食纤维指的是非淀粉类的多糖，它们广泛存在于多种蔬菜水果的细胞壁中，人类需要摄取大量膳食纤维才能保证营养均衡。由于人类基因组中缺乏编码相应酶的基因，我们主要依赖肠道中的微生物群将这些复杂的糖类进行糖化发酵。

密歇根大学医学院、约克大学结构生物学实验室和一些研究机构对肠道菌展开了研究，希望了解它们代谢上述复杂碳水化合物的机制。

人体的肠道中生活着大量的细菌，这些细菌细胞的数量甚至比人体细胞多十倍。这样的微生物群体对人体健康至关重要，在代谢过程中起着关键性的作用。

研究人员针对一种肠道菌——拟杆菌Bacteroidetes进行研究，揭示了它们代谢复杂糖类xyloglucan的机制。xyloglucan（XyG）是一种广泛存在于植物细胞壁的重要多糖，占生菜、洋葱、茄子、西红柿等蔬菜水果干重的25%，不过此前人们并不清楚机体是如何利用它的。

本期的Nature杂志发表了这篇文章，文章指出，一段特殊的基因序列是拟杆菌赋代谢XyG的关键。研究人员对250名成年人进行了宏基因组分析，并在此基础上发现，92%的人具有携带这一基因序列的细菌。

“人们早就知道，与我们共生的肠道菌大大增强了我们消化膳食纤维的能力。然而，人们一直不清楚这其中的具体机制，”文章的共同资深作者，密歇根大学医学院的助理教授Eric Martens说。

研究人员发现，拟杆菌中的一个复杂基因座赋予它们代谢XyG的能力，他们将该基因座称为XyGUL（orthologous XyG utilization loci）。随后，研究人员通过靶向基因敲除、生化分析和三维结构研究，向人们展示了拟杆菌将XyG水解为单糖的分子机制。研究显示，细菌种群中携带XyGUL的个体并不多。研究人员指出，肠道菌群中的少数派，介导了高丰度膳食纤维的代谢。

理解这些细菌消化复杂碳水化合物的机制，可以为许多营养学研究带来重要启示，例如开发含有益微生物的营养品，或者通过进食刺激肠道中益生菌的生长。

“尽管我们的几乎什么都吃，但实际上人体并不具有直接分解复杂植物物质的装备，在这一点上我们完全依赖于肠道的细菌。而这项研究可以帮助我们理解这样的过程。”约克大学的Gideon Davies教授说。“我们的研究不仅为人类营养学研究提供了重要信息，还具有更为广泛的商业和工业价值。解析特定酶分解植物物质的过程，与开发环保型能源直接相关，可以帮助人们生产出更好的生物燃料。”

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文摘要：

A discrete genetic locus confers xyloglucan metabolism in select human gut Bacteroidetes

A well-balanced human diet includes a significant intake of non-starch polysaccharides, collectively termed ‘dietary fibre’, from the cell walls of diverse fruits and vegetables1. Owing to the paucity of alimentary enzymes encoded by the human genome2, our ability to derive energy from dietary fibre depends on the saccharification and fermentation of complex carbohydrates by the massive microbial community residing in our distal gut3, 4. The xyloglucans (XyGs) are a ubiquitous family of highly branched plant cell wall polysaccharides5, 6 whose mechanism(s) of degradation in the human gut and consequent importance in nutrition have been unclear1, 7, 8. Here we demonstrate that a single, complex gene locus in Bacteroides ovatus confers XyG catabolism in this common colonic symbiont. Through targeted gene disruption, biochemical analysis of all predicted glycoside hydrolases and carbohydrate-binding proteins, and three-dimensional structural determination of the vanguard endo-xyloglucanase, we reveal the molecular mechanisms through which XyGs are hydrolysed to component monosaccharides for further metabolism. We also observe that orthologous XyG utilization loci (XyGULs) serve as genetic markers of XyG catabolism in Bacteroidetes, that XyGULs are restricted to a limited number of phylogenetically diverse strains, and that XyGULs are ubiquitous in surveyed human metagenomes. Our findings reveal that the metabolism of even highly abundant components of dietary fibre may be mediated by niche species, which has immediate fundamental and practical implications for gut symbiont population ecology in the context of human diet, nutrition and health9, 10, 11, 12.