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肠道炎症与微生物群的关系尚不明确，研究人员开展 “共生和致病微生物在炎症肠道中氧化糖代谢的趋同进化” 研究。结果发现多种微生物利用 gud/gar 途径代谢氧化糖，且该途径在 IBD 患者中丰度增加。这为肠道炎症和微生物群变化机制提供新见解。
在人体的肠道中，存在着一个庞大而神秘的微生物世界，它们与人体健康息息相关。当肠道发生炎症时，这个微生物世界会发生巨大的变化。然而，长期以来，炎症相关的肠道微生物组扰动的机制却如同迷雾，虽被广泛研究，但仍未被完全理解。炎症性肠病（IBD）就是一个典型例子，微生物扰动会引发异常免疫反应，导致慢性炎症和胃肠道症状，可目前对于微生物组变化背后的机制，科学家们知之甚少。
为了揭开这层神秘的面纱，来自美国马里兰大学（University of Maryland）的研究人员和美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）的研究人员合作开展了深入研究。他们将目光聚焦在肠道微生物对氧化糖的代谢上，试图探索其中隐藏的奥秘。研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解肠道炎症与微生物群之间的复杂关系带来了新的曙光。
研究人员在此次研究中用到了多种关键技术方法。首先，通过对大量微生物基因组数据的生物信息学分析，从 Genome Taxonomy Database（GTDB）中的 85,202 prokaryotic genomes 里筛选出可能含有 gud/gar 途径的物种。其次，利用基因敲除和互补实验，验证特定基因在氧化糖代谢中的功能，如构建 E. coli 的 gud/gar 基因敲除菌株，再用其他物种的相关基因进行互补。最后，对 IBD 患者和非 IBD 患者的粪便样本进行宏基因组和宏转录组分析，研究 gud/gar 途径基因的相对丰度和转录情况。
筛选能代谢氧化糖的肠道微生物物种
研究人员推测，某些肠道微生物在 IBD 中数量增加，可能是因为它们能代谢炎症期间产生的氧化糖。为此，他们挑选了一些在 IBD 中相对丰度增加且代谢机制不明的物种进行筛选。结果发现，E. coli 5α、E. clostridioformis WAL-7855 和 Enterocloster citroniae WAL-17108 能利用半乳糖醛酸（galactarate）作为碳源生长，而另外一些相关物种则不能，这表明能生长的物种可能含有氧化糖代谢的关键基因。
鉴定 Enterocloster clostridioformis 中氧化糖代谢基因簇
研究人员认为，上述部分肠道物种能利用氧化糖生长，可能是通过之前在 E. coli 中发现的 gud/gar 途径。他们以 E. coli 的相关蛋白为参考，搜索 E. clostridioformis 中的同源基因，发现其缺少 gud/garP 渗透酶和 aldolase GarL 等关键酶。但进一步研究发现，E. clostridioformis 中存在一个新的醛缩酶 gudL 和未被注释的 ABC 转运体，它们可能参与氧化糖代谢。
E. clostridioformis 的新老基因拯救 E. coli 敲除菌株
为验证 E. clostridioformis 中相关基因的功能，研究人员构建了 E. coli 的 gud/gar 基因敲除菌株，然后将 E. clostridioformis 的相关基因（garABC、gudL 和 garR）克隆到质粒中，转化到相应的敲除菌株中。糖发酵实验表明，这些基因能恢复 E. coli 敲除菌株对氧化糖的代谢能力，证明了它们在细菌氧化糖代谢中的功能等效性。
dapA 样基因 gudL 编码一种潜在的 5-KDG 醛缩酶
研究人员发现 E. clostridioformis 中的 GudL 醛缩酶与 E. coli 中的 GarL 功能相同，但它们的氨基酸序列相似度低，且没有共同的蛋白质结构域注释。通过结构比较和进化分析，进一步证实了它们可能是趋同进化的结果，GudL 可能催化 5-KDG 转化为 TSA 和丙酮酸。
界定潜在的 GudL 进化枝
研究人员综合运用系统发育分析、结构预测和序列保守性分析等方法，确定了 GudL 进化枝，并发现该进化枝中一些关键氨基酸残基的变化。突变这些残基后，E. coli 对氧化糖的发酵能力受到影响，表明这些残基对 GudL 的功能很重要，也有助于将 GudL 与其他 DapA 样酶区分开来。
氧化糖代谢是广泛分布于微生物组的菌株特异性能力
研究人员在验证 E. clostridioformis 的氧化糖代谢途径功能后，扩大搜索范围，利用 ProkFunFind 工具在 GTDB 数据库中搜索含有 gud/gar 途径的物种。结果发现，887 种肠道微生物可能含有该途径，主要分布在 Bacillota、Pseudomonadota/Proteobacteria 和 Fusobacteriota 门，且氧化糖代谢具有菌株特异性。
gud/gar 基因簇从 Bacillota 到 Fusobacteriota 的水平基因转移
研究人员通过构建相关基因的系统发育树，发现 gud/gar 途径在不同门之间的分布模式表明它可能通过水平基因转移传播。特别是 Fusobacteriota 可能从 Bacillota 的 Enterococcus spp. 进化枝获得了 gud/gar 基因簇，并且 Fusobacterium nucleatum 的相关基因能部分恢复 E. coli 敲除菌株对氧化糖的发酵能力。
IBD 患者粪便宏基因组和宏转录组中 gud/gar 途径相对丰度增加
研究人员假设利用氧化糖的能力能让微生物在炎症肠道中获得竞争优势。通过对 IBD 患者和非 IBD 患者粪便样本的宏基因组和宏转录组分析，发现 IBD 患者中 gud/gar 途径基因的相对丰度和转录水平均增加，且 gudL 在 IBD 患者中也显著增加，这表明这些微生物在 IBD 患者中不仅数量增多，还在积极转录相关基因，发挥其功能。
在这项研究中，研究人员发现不同种类的微生物利用酶学上不同但功能等效的 gud/gar 途径代谢葡萄糖醛酸（glucarate）和半乳糖醛酸。他们在 E. clostridioformis 中发现了一种替代途径，并通过实验验证了相关基因的功能。通过系统搜索，确定了 887 种可能具有该途径的微生物物种，这表明 gud/gar 途径在许多共生微生物中广泛存在，而此前它一直被认为只是病原体的定植因素。
此外，研究还揭示了 gud/gar 途径可能通过水平基因转移在不同门的微生物之间传播，这为理解微生物适应炎症肠道环境的进化机制提供了新视角。虽然目前仍存在一些知识空白，如 gud/gar 转录在炎症期间的调控机制还不清楚，但该研究为肠道炎症相关的微生物群失调提供了一个潜在的解释，表明氧化糖代谢可能是共生微生物适应炎症肠道的一种代谢方式，为后续研究肠道微生物与宿主健康的关系奠定了重要基础，也为治疗炎症性肠病等相关疾病提供了新的思路和潜在靶点。
