多糖与肠道菌群的相互作用研究进展

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　　摘要    多糖广泛存在于动物、植物及微生物中，具有多种生理活性，是一类重要的功能成分。多糖难以被人体直接消化吸收，需经肠道菌群降解后被吸收并产生活性。多糖可通过调节肠道菌群、保护肠黏膜屏障、增加短链脂肪酸的含量发挥其益生元作用，维持人体健康或有助于疾病治疗。本文介绍了多糖与肠道菌群的相互作用，以期为多糖的益生元作用研究提供参考。
　　关键词    多糖;肠道菌群;益生元;多糖利用位点
　　中图分类号    R285        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）09-0225-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Abstract    Polysaccharide widely exist in animals，plants and microorganisms，and have important physiological activities，it is an important functional component.However，polysaccharide is hard to digest，which is fermented by gut microbiota and then generate pharmacological activities.Polysaccharide plays probiotic role by regulating the intestinal flora，protecting the intestinal mucosa barrier and increasing short chain fatty acids，maintains human health or helps in disease treatment.This paper introduced the interaction between polysaccharide and gut microbiota，in order to provide references for the study of prebiotic effect of polysaccharide.
　　Key words    polysaccharide;gut microbiota;prebiotics;PUL
　　多糖是廣泛存在于生物中的由10个以上单糖构成的链状糖，具有免疫调节、抗肿瘤、抗感染、降血糖、降血脂、抗消化性溃疡、护肝等药理作用。表现出药理活性的多糖大多具有特殊的结构与特性，如具有免疫调节作用的多糖一般以β-1，3和β-1，6糖苷键为主，同型多糖和异型多糖也具有药理活性[1]，有学者将此类多糖称为“药用多糖”[2]。多糖不能被人体直接消化吸收，需进入肠道内被肠道菌群分解后才能被机体利用。肠道菌群对多糖的降解是多糖药理活性产生的基础。因此，以肠道菌群为媒介，探索多糖的药效药理作用及其作用机制是研究的主要方向。
　　位于肠道的菌群被称为肠道菌群，是数量庞大的微生物群体，发挥着代谢、营养及保护等重要的生理作用。宿主的基因、年龄、疾病、环境和外源物（食物、药物）等都会对肠道菌群产生影响。外源物进入机体，必然与肠道菌群产生相互作用。因此，探究多糖的活性及保护机制，必须考虑多糖与肠道菌群的相互作用。
　　1    多糖的益生元作用
　　2016年国际益生菌与益生元科学协会（ISAPP）将益生元重新定义为能够被宿主体内的菌群选择性利用并转化为有益于宿主健康的物质[3]。Miguez等[4]提出了益生元的3个标准，一是不能在消化道被消化吸收，二是能促进有益菌的增殖，三是有利于促进机体健康。尽管多糖的药理作用尚未完全揭露，但根据益生元的定义及标准，研究者们对多糖的益生元作用已有共识。多糖难以被消化吸收，但可作为肠道菌群的碳源从而促进有益菌生长，并通过其代谢产物调节肠道菌群，改变肠道微生态的多样性而发挥其益生元作用。最近的研究视角也多从肠道菌群着手，明确多糖对肠道菌群多样性及组成的影响，寻找特异菌及功能菌，建立“多糖—肠道菌群—疾病（健康）”的联系，明确多糖的益生机制。
　　2    多糖对肠道菌群的调节作用
　　现有研究表明，多糖对肠道菌群的调节保护作用是多方面的。在肠道构造上，多糖可改善肠道完整性，缓解肠道黏膜损伤;在菌群组成上，多糖可促进有益菌增殖、抑制有害菌增殖，从而调节肠道菌群，使之形成更平衡的菌群结构;在菌群功能上，多糖可上调碳水化合物活性酶（CAZymes）基因的表达，提高CAZymes的活性，增加短链脂肪酸的生成，减少代谢内毒素，降低炎症因子的表达和增加紧密连接蛋白的表达。因此，多糖具有的提高免疫、降血脂、降血糖、减脂等药理作用，在2型糖尿病、肥胖、癌症及胃肠道疾病的保健品及药物开发中具有极大的价值。海藻多糖通过选择性增加拟杆菌属的某些菌种，提高CAZymes水平，达到降低血脂的目的[5]。岩藻多糖作用于粪球菌属、理研菌属、拟普雷沃菌属、葡萄球菌属、链球菌属等，降低炎症因子表达和增加紧密连接蛋白的表达，发挥降血脂的药理作用。香菇多糖、马齿苋多糖主要通过调节关联菌双歧杆菌、乳酸杆菌等抑制炎症因子白介素-1β（IL-1β）、白介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等的表达发挥抗结肠炎的作用[6]。 　　3    肠道菌群对植物多糖的代谢
　　多糖的利用率取决于代谢酶的数量及种类。人体所编码的消化酶数量有限，唯一可不需经过肠道菌群而能被人体利用的植物多糖是淀粉。肠道菌群可编码数量庞大的CAZymes，根据其作用可将CAZymes分为糖苷水解酶、多糖裂解酶、碳水化合物酯酶和糖基转移酶4类[2]。多糖口服后进入肠道，作为肠道菌群的碳源促进有益菌群生长，经CAZymes分解后，转化为次生代谢物或发酵产物被机体吸收，进而影响细胞增殖和凋亡，调节免疫反应，改变宿主代谢[7]。
　　3.1    肠道菌群及CAZymes
　　不同肠道菌群对多糖的降解能力有差异，与其所编码的CAZymes基因数量有关，因而某些菌群对多糖的降解具有通用性，有的具有专化性。例如人体结肠的优势菌群——拟杆菌门及厚壁菌门。拟杆菌门中的菌属平均编码137.1个CAZymes基因，故能够降解多种多糖，而厚壁菌门中的菌属平均编码39.6个CAZymes基因，只能降解少部分特异性多糖[2，7]。值得注意的是，在同一菌门内，不同菌种对多糖的利用能力亦有差异。如同在拟杆菌门中的释义溶纤维拟杆菌和多毛拟杆菌，分别编码了421个和43个碳水化合物降解酶基因，其降解多糖的能力差异显著。
　　多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron）是拟杆菌属中研究较多的菌种，能编码α，β-半乳糖苷酶、α，β-葡糖苷酶、β-葡糖醛酸糖苷酶、β-呋喃果糖苷酶、α-甘露糖苷酶、淀粉酶及1，2-β-木糖苷酶在内的261种糖苷水解酶及多糖裂合酶，以及包含208种与淀粉利用相关的同源基因，加之对环境的敏感应变能力，使其具有强大的多糖分解能力，可利用已知结构最复杂的聚糖——植物果胶多糖鼠李半乳糖醛酸聚糖-II（RGII）[8-9]。双歧杆菌基因组中含有大量与碳水化合物代谢相关的基因，而且在富含多糖的环境中表现出物种特异性的适应性。另外，双歧桿菌具有互养活性，可将复杂的多糖水解后产生较为简单的多糖供其他菌利用[10]。
　　3.2    肠道菌群降解多糖的机制
　　人体内的拟杆菌属利用多糖的机制与多糖利用位点（PUL）有关。PUL是编码多糖降解系统的基因簇。PUL编码的蛋白质组成了淀粉利用系统（Sus-like systems）[7]。拟杆菌通过多个多糖利用位点（PUL）的协同合作，降解复杂的碳水化合物[7，11]。以多形拟杆菌降解果胶多糖为例，多形拟杆菌识别果胶多糖后，同时启动3个PUL，不同的PUL编码不同家族的糖苷水解酶，共转录出40多种水解酶，形成的复合体可使鼠李半乳糖醛酸聚糖-I（RGI）骨架解聚，并去除黏附于RGI上的果胶结构域[9，12]。肠道菌群感知、调节PUL中的复杂酶系统的表达可能与PUL编码的多肽中的保守序列的N端有关[12]。厚壁菌降解多糖的机制研究在2016年取得了突破性的进展，厚壁菌降解多糖在结构和机制上与拟杆菌类似。厚壁菌的基因结构有类似于PUL这样广泛存在、多样化且能编码大量转运蛋白的系统，被称为革兰阳性PUL。降解时，目标底物首先被胞外碳水化合物结合蛋白结合，在转运前部分被CAZymes处理，然后ATP转运至细胞质进行进一步的解聚。以双歧杆菌为代表的放线菌门降解多糖的模式类似于厚壁菌门gp PULs，只是双歧杆菌通过ABC转运蛋白，渗透酶和质子同向转运利用多糖，而厚壁菌门依靠PEP-PTS转运[13]。
　　人体结肠的细菌数量与人体细胞数量相当[14]。在健康人体中，肠道细菌处于共生状态。Tuncil等[15]将卵形拟杆菌与多形拟杆菌共同培养，研究在不同多糖存在的环境中细菌的互惠共生关系，发现不同的细菌表现出对不同的多糖利用优势，即对不同多糖的利用优先级有所差异，这可能是细菌稳定共存的基础。对于某种细菌来说，如果高优先级多糖存在，则其与低优先级多糖利用相关的基因的转录将被抑制。
　　3.3    多糖的代谢产物——短链脂肪酸（SCFAs）
　　肠道菌群把碳水化合物的降解形成的次级代谢产物及发酵终产物被肠道上皮吸收或通过门静脉转运至肝脏，对宿主生理过程产生影响。肠道菌群可将多糖发酵得到SCFAs。SCFAs主要包含乙酸、丙酸和丁酸，具有抗炎作用，是肠道菌群与宿主之间进行信号传递的重要物质[2]。另外，SCFAs可增强肠道屏障功能（促进黏液生成和连接蛋白表达）、降低肠腔内的氧含量、维持免疫系统健康，对炎性肠病、结直肠癌、慢阻肺、哮喘、肥胖和糖尿病等与免疫及炎症相关的疾病均有益[16]。常见的产SCFAs的细菌主要有拟杆菌、梭菌、双歧杆菌、真杆菌、链球菌、消化链球菌和瘤胃球菌等[17-18]。如龙眼多糖可让小鼠肠道菌群中双歧杆菌编码的岩藻糖苷酶基因、芽孢杆菌属及Parabacteroides编码的阿拉伯木聚糖酶基因富集，进而使琥珀酸、乙酸、丙酸和丁酸显著增加，从而增强宿主在应激条件下的免疫功能。因此，多糖进入机体后，找出与SCFAs变化相关的菌种，对确证多糖与保健、治疗作用的因果关系有重要意义。
　　4    展望
　　4.1    功能宏基因组学应用于肠道菌群研究将是今后的趋势
　　高通量测序及代谢组学的发展为研究多糖及肠道菌群之间的相互作用提供了技术支撑。16S rDNA、18S rDNA和ITS等可同时检测样品中不同丰度的物种，实现从肠道微生物的种群结构到功能分析的全面研究[19]。纵观多糖对肠道菌群影响研究，大多是针对菌群结构及丰度进行检测，研究层次较浅，而对菌群所携带的基因功能及丰度研究较少。今后研究应遵循从宏观到微观、从结构到功能的思路，从对肠道微生态和菌群结构研究转变为对特异菌、功能菌的研究。宏基因组学在揭示菌群的群落结构和代谢能力有独特的优势，如Liu N等[20]利用宏基因组学在白蚁肠道菌群中发现大量与多糖降解相关的基因簇和纤维二糖利用途径;Armstrong Z等[21]研究了北美河狸粪便菌群的功能协同作用和新型多糖利用位点。因此，今后的研究应加强利用这一优势技术。 　　4.2    推动中药复方功效成分及作用机理研究
　　虽然目前大多就某一种或某一类多糖对肠道菌群的影响进行研究，但渐渐有研究将目光投向中药复方总多糖在肠道菌群介导下表现出的疾病治疗中，期望能为中药复方的作用机制研究提供新思路。因中药复方成分复杂且成分间存在协同作用，给研究带来了极大的困难。现在可将中医药与肠道微生态结合起来，通过将中药复方的成分拆分归类，分别研究其与肠道菌群的相互作用，无疑为深入确证中药复方的有效成分或有效部位及其作用靶标、作用途径提供了新的视角。如四君子汤总多糖可通过调节乳酸菌、细菌、链球菌、拟杆菌、肠球菌、梭菌等肠道菌属的丰度发挥免疫调节作用[22]。在独参汤中，人参多糖能提高肠道对特定人参皂苷的代谢和吸收功能，同时能增加肠道中乳酸菌和拟杆菌的数量，恢复被破坏的菌群[23]。
　　4.3    重视体外发酵模型的应用
　　如前所述，肠道菌群对多糖的代谢及发酵作用是多糖发挥药理活性的基础。利用体外发酵模型可研究不同菌种对多糖结构的影响、研究不同肠道菌群的共生及互养，还可研究多糖药理活性及其作用机制。有研究表明，经发酵后的多糖对肠道菌群的调节作用更显著[22，24-25]。四君子汤多糖经发酵后可调节更多的菌属，乙酸和总酸含量增加，与之相关的肠球菌、萨特氏菌属和链球菌丰度增加，从而使其提高免疫的能力增强[22]。经Lactobacillus plantarum发酵后苦瓜多糖在理化性质、单糖组成、分子量和黏度等方面均有改变，而且可优化肠道菌群，促进SCFAs的产生，从而增强苦瓜多糖在大鼠体内的抗糖尿病作用[24]。因此，建立体外发酵模型，结合体内研究，是多糖深入研究的技术支撑。
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