多糖與腸道菌群的相互作用研究進展

唐圓　謝果珍

摘要? ? 多糖廣泛存在于動物、植物及微生物中，具有多種生理活性，是一類重要的功能成分。多糖難以被人體直接消化吸收，需經腸道菌群降解后被吸收并產生活性。多糖可通過調節腸道菌群、保護腸黏膜屏障、增加短鏈脂肪酸的含量發揮其益生元作用，維持人體健康或有助于疾病治療。本文介紹了多糖與腸道菌群的相互作用，以期為多糖的益生元作用研究提供參考。

關鍵詞? ? 多糖;腸道菌群;益生元;多糖利用位點

中圖分類號? ? R285? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）09-0225-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（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個以上單糖構成的鏈狀糖，具有免疫調節、抗腫瘤、抗感染、降血糖、降血脂、抗消化性潰瘍、護肝等藥理作用。表現出藥理活性的多糖大多具有特殊的結構與特性，如具有免疫調節作用的多糖一般以β-1，3和β-1，6糖苷鍵為主，同型多糖和異型多糖也具有藥理活性[1]，有學者將此類多糖稱為“藥用多糖”[2]。多糖不能被人體直接消化吸收，需進入腸道內被腸道菌群分解后才能被機體利用。腸道菌群對多糖的降解是多糖藥理活性產生的基礎。因此，以腸道菌群為媒介，探索多糖的藥效藥理作用及其作用機制是研究的主要方向。

位于腸道的菌群被稱為腸道菌群，是數量龐大的微生物群體，發揮著代謝、營養及保護等重要的生理作用。宿主的基因、年齡、疾病、環境和外源物（食物、藥物）等都會對腸道菌群產生影響。外源物進入機體，必然與腸道菌群產生相互作用。因此，探究多糖的活性及保護機制，必須考慮多糖與腸道菌群的相互作用。

1? ? 多糖的益生元作用

2016年國際益生菌與益生元科學協會（ISAPP）將益生元重新定義為能夠被宿主體內的菌群選擇性利用并轉化為有益于宿主健康的物質[3]。Miguez等[4]提出了益生元的3個標準，一是不能在消化道被消化吸收，二是能促進有益菌的增殖，三是有利于促進機體健康。盡管多糖的藥理作用尚未完全揭露，但根據益生元的定義及標準，研究者們對多糖的益生元作用已有共識。多糖難以被消化吸收，但可作為腸道菌群的碳源從而促進有益菌生長，并通過其代謝產物調節腸道菌群，改變腸道微生態的多樣性而發揮其益生元作用。最近的研究視角也多從腸道菌群著手，明確多糖對腸道菌群多樣性及組成的影響，尋找特異菌及功能菌，建立“多糖—腸道菌群—疾病（健康）”的聯系，明確多糖的益生機制。

2? ? 多糖對腸道菌群的調節作用

現有研究表明，多糖對腸道菌群的調節保護作用是多方面的。在腸道構造上，多糖可改善腸道完整性，緩解腸道黏膜損傷;在菌群組成上，多糖可促進有益菌增殖、抑制有害菌增殖，從而調節腸道菌群，使之形成更平衡的菌群結構;在菌群功能上，多糖可上調碳水化合物活性酶（CAZymes）基因的表達，提高CAZymes的活性，增加短鏈脂肪酸的生成，減少代謝內毒素，降低炎癥因子的表達和增加緊密連接蛋白的表達。因此，多糖具有的提高免疫、降血脂、降血糖、減脂等藥理作用，在2型糖尿病、肥胖、癌癥及胃腸道疾病的保健品及藥物開發中具有極大的價值。海藻多糖通過選擇性增加擬桿菌屬的某些菌種，提高CAZymes水平，達到降低血脂的目的[5]。巖藻多糖作用于糞球菌屬、理研菌屬、擬普雷沃菌屬、葡萄球菌屬、鏈球菌屬等，降低炎癥因子表達和增加緊密連接蛋白的表達，發揮降血脂的藥理作用。香菇多糖、馬齒莧多糖主要通過調節關聯菌雙歧桿菌、乳酸桿菌等抑制炎癥因子白介素-1β（IL-1β）、白介素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）等的表達發揮抗結腸炎的作用[6]。

3? ? 腸道菌群對植物多糖的代謝

多糖的利用率取決于代謝酶的數量及種類。人體所編碼的消化酶數量有限，唯一可不需經過腸道菌群而能被人體利用的植物多糖是淀粉。腸道菌群可編碼數量龐大的CAZymes，根據其作用可將CAZymes分為糖苷水解酶、多糖裂解酶、碳水化合物酯酶和糖基轉移酶4類[2]。多糖口服后進入腸道，作為腸道菌群的碳源促進有益菌群生長，經CAZymes分解后，轉化為次生代謝物或發酵產物被機體吸收，進而影響細胞增殖和凋亡，調節免疫反應，改變宿主代謝[7]。

3.1? ? 腸道菌群及CAZymes

不同腸道菌群對多糖的降解能力有差異，與其所編碼的CAZymes基因數量有關，因而某些菌群對多糖的降解具有通用性，有的具有專化性。例如人體結腸的優勢菌群——擬桿菌門及厚壁菌門。擬桿菌門中的菌屬平均編碼137.1個CAZymes基因，故能夠降解多種多糖，而厚壁菌門中的菌屬平均編碼39.6個CAZymes基因，只能降解少部分特異性多糖[2，7]。值得注意的是，在同一菌門內，不同菌種對多糖的利用能力亦有差異。如同在擬桿菌門中的釋義溶纖維擬桿菌和多毛擬桿菌，分別編碼了421個和43個碳水化合物降解酶基因，其降解多糖的能力差異顯著。

多形擬桿菌（Bacteroides thetaiotaomicron）是擬桿菌屬中研究較多的菌種，能編碼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-木糖苷酶在內的261種糖苷水解酶及多糖裂合酶，以及包含208種與淀粉利用相關的同源基因，加之對環境的敏感應變能力，使其具有強大的多糖分解能力，可利用已知結構最復雜的聚糖——植物果膠多糖鼠李半乳糖醛酸聚糖-II（RGII）[8-9]。雙歧桿菌基因組中含有大量與碳水化合物代謝相關的基因，而且在富含多糖的環境中表現出物種特異性的適應性。另外，雙歧桿菌具有互養活性，可將復雜的多糖水解后產生較為簡單的多糖供其他菌利用[10]。

3.2? ? 腸道菌群降解多糖的機制

人體內的擬桿菌屬利用多糖的機制與多糖利用位點（PUL）有關。PUL是編碼多糖降解系統的基因簇。PUL編碼的蛋白質組成了淀粉利用系統（Sus-like systems）[7]。擬桿菌通過多個多糖利用位點（PUL）的協同合作，降解復雜的碳水化合物[7，11]。以多形擬桿菌降解果膠多糖為例，多形擬桿菌識別果膠多糖后，同時啟動3個PUL，不同的PUL編碼不同家族的糖苷水解酶，共轉錄出40多種水解酶，形成的復合體可使鼠李半乳糖醛酸聚糖-I（RGI）骨架解聚，并去除黏附于RGI上的果膠結構域[9，12]。腸道菌群感知、調節PUL中的復雜酶系統的表達可能與PUL編碼的多肽中的保守序列的N端有關[12]。厚壁菌降解多糖的機制研究在2016年取得了突破性的進展，厚壁菌降解多糖在結構和機制上與擬桿菌類似。厚壁菌的基因結構有類似于PUL這樣廣泛存在、多樣化且能編碼大量轉運蛋白的系統，被稱為革蘭陽性PUL。降解時，目標底物首先被胞外碳水化合物結合蛋白結合，在轉運前部分被CAZymes處理，然后ATP轉運至細胞質進行進一步的解聚。以雙歧桿菌為代表的放線菌門降解多糖的模式類似于厚壁菌門gp PULs，只是雙歧桿菌通過ABC轉運蛋白，滲透酶和質子同向轉運利用多糖，而厚壁菌門依靠PEP-PTS轉運[13]。

人體結腸的細菌數量與人體細胞數量相當[14]。在健康人體中，腸道細菌處于共生狀態。Tuncil等[15]將卵形擬桿菌與多形擬桿菌共同培養，研究在不同多糖存在的環境中細菌的互惠共生關系，發現不同的細菌表現出對不同的多糖利用優勢，即對不同多糖的利用優先級有所差異，這可能是細菌穩定共存的基礎。對于某種細菌來說，如果高優先級多糖存在，則其與低優先級多糖利用相關的基因的轉錄將被抑制。

3.3? ? 多糖的代謝產物——短鏈脂肪酸（SCFAs）

腸道菌群把碳水化合物的降解形成的次級代謝產物及發酵終產物被腸道上皮吸收或通過門靜脈轉運至肝臟，對宿主生理過程產生影響。腸道菌群可將多糖發酵得到SCFAs。SCFAs主要包含乙酸、丙酸和丁酸，具有抗炎作用，是腸道菌群與宿主之間進行信號傳遞的重要物質[2]。另外，SCFAs可增強腸道屏障功能（促進黏液生成和連接蛋白表達）、降低腸腔內的氧含量、維持免疫系統健康，對炎性腸病、結直腸癌、慢阻肺、哮喘、肥胖和糖尿病等與免疫及炎癥相關的疾病均有益[16]。常見的產SCFAs的細菌主要有擬桿菌、梭菌、雙歧桿菌、真桿菌、鏈球菌、消化鏈球菌和瘤胃球菌等[17-18]。如龍眼多糖可讓小鼠腸道菌群中雙歧桿菌編碼的巖藻糖苷酶基因、芽孢桿菌屬及Parabacteroides編碼的阿拉伯木聚糖酶基因富集，進而使琥珀酸、乙酸、丙酸和丁酸顯著增加，從而增強宿主在應激條件下的免疫功能。因此，多糖進入機體后，找出與SCFAs變化相關的菌種，對確證多糖與保健、治療作用的因果關系有重要意義。

4? ? 展望

4.1? ? 功能宏基因組學應用于腸道菌群研究將是今后的趨勢

高通量測序及代謝組學的發展為研究多糖及腸道菌群之間的相互作用提供了技術支撐。16S rDNA、18S rDNA和ITS等可同時檢測樣品中不同豐度的物種，實現從腸道微生物的種群結構到功能分析的全面研究[19]。縱觀多糖對腸道菌群影響研究，大多是針對菌群結構及豐度進行檢測，研究層次較淺，而對菌群所攜帶的基因功能及豐度研究較少。今后研究應遵循從宏觀到微觀、從結構到功能的思路，從對腸道微生態和菌群結構研究轉變為對特異菌、功能菌的研究。宏基因組學在揭示菌群的群落結構和代謝能力有獨特的優勢，如Liu N等[20]利用宏基因組學在白蟻腸道菌群中發現大量與多糖降解相關的基因簇和纖維二糖利用途徑;Armstrong Z等[21]研究了北美河貍糞便菌群的功能協同作用和新型多糖利用位點。因此，今后的研究應加強利用這一優勢技術。

4.2? ? 推動中藥復方功效成分及作用機理研究

雖然目前大多就某一種或某一類多糖對腸道菌群的影響進行研究，但漸漸有研究將目光投向中藥復方總多糖在腸道菌群介導下表現出的疾病治療中，期望能為中藥復方的作用機制研究提供新思路。因中藥復方成分復雜且成分間存在協同作用，給研究帶來了極大的困難。現在可將中醫藥與腸道微生態結合起來，通過將中藥復方的成分拆分歸類，分別研究其與腸道菌群的相互作用，無疑為深入確證中藥復方的有效成分或有效部位及其作用靶標、作用途徑提供了新的視角。如四君子湯總多糖可通過調節乳酸菌、細菌、鏈球菌、擬桿菌、腸球菌、梭菌等腸道菌屬的豐度發揮免疫調節作用[22]。在獨參湯中，人參多糖能提高腸道對特定人參皂苷的代謝和吸收功能，同時能增加腸道中乳酸菌和擬桿菌的數量，恢復被破壞的菌群[23]。

4.3? ? 重視體外發酵模型的應用

如前所述，腸道菌群對多糖的代謝及發酵作用是多糖發揮藥理活性的基礎。利用體外發酵模型可研究不同菌種對多糖結構的影響、研究不同腸道菌群的共生及互養，還可研究多糖藥理活性及其作用機制。有研究表明，經發酵后的多糖對腸道菌群的調節作用更顯著[22，24-25]。四君子湯多糖經發酵后可調節更多的菌屬，乙酸和總酸含量增加，與之相關的腸球菌、薩特氏菌屬和鏈球菌豐度增加，從而使其提高免疫的能力增強[22]。經Lactobacillus plantarum發酵后苦瓜多糖在理化性質、單糖組成、分子量和黏度等方面均有改變，而且可優化腸道菌群，促進SCFAs的產生，從而增強苦瓜多糖在大鼠體內的抗糖尿病作用[24]。因此，建立體外發酵模型，結合體內研究，是多糖深入研究的技術支撐。

5? ? 參考文獻

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