前言

今夏各地的極端高溫已經(jīng)持續(xù)了將近2個(gè)月，高溫干旱天氣影響果樹等農(nóng)作物生長。氣候變化將導(dǎo)致全球人口糧食危機(jī)，而西方國家的飲食習(xí)慣使大量的副產(chǎn)品植物纖維被浪費(fèi)。經(jīng)過簡單食品加工方法產(chǎn)生的副產(chǎn)物植物纖維其實(shí)是多種自然發(fā)生的具有生理活性分子的生物儲(chǔ)存庫。來自圣路易斯華盛頓大學(xué)Nathan D. Han的研究團(tuán)隊(duì)從環(huán)保的角度出發(fā)，揭示了人類腸道菌群能夠從柑橘纖維中釋放并利用N-甲基-5-羥色胺，減少肥胖，改變肝糖生成，縮短腸道運(yùn)輸時(shí)間并改變肝臟和結(jié)腸中調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律的基因表達(dá)，為利用膳食纖維建立健康飲食結(jié)構(gòu)提供了新的策略和見解。

背景介紹

人口增長、氣候變化帶來的生存威脅以及與之相關(guān)的環(huán)境可持續(xù)性挑戰(zhàn)使人們將注意力集中在糧食生產(chǎn)上，包括對(duì)糧食生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量無機(jī)和有機(jī)副產(chǎn)品的管理。植物纖維代表了一個(gè)潛在的巨大且大部分未確定特征的天然分子儲(chǔ)存庫，可能具有促進(jìn)健康的作用。

全球每年年產(chǎn)大量柑橘。工業(yè)加工柑橘總重量的近一半用于生產(chǎn)果汁并產(chǎn)生數(shù)千萬噸柑橘廢物。提高柑橘廢物價(jià)值的一個(gè)策略是通過提取有價(jià)值的化合物，包括精油、黃酮類化合物、果膠和膳食纖維。

目前廣泛的研究表明人類腸道菌群對(duì)機(jī)體有重要作用，它們能影響體重和消化能力、抵御感染和自體免疫疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)等。腸道菌群還能夠識(shí)別膳食纖維成分中的代謝產(chǎn)物，增加膳食纖維攝入量與改善健康狀況之間的關(guān)聯(lián)已被廣泛認(rèn)可。

5-羥色胺是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，被廣泛的認(rèn)為能夠調(diào)整情緒和睡眠，并能夠改善胃腸道功能。N-甲基-5-羥色胺與5-羥色胺結(jié)構(gòu)相似，本文中對(duì)其功能進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

01  被丟棄的植物纖維中難接觸的化合物被腸道微生物釋放

02  柑橘纖維中的N-甲基-5-羥色胺的釋放具有物種水平的特異性

03  N-甲基-5-羥色胺影響無菌小鼠的肥胖、代謝和腸道運(yùn)動(dòng)

04  N-甲基-5-羥色胺和細(xì)菌碳水化合物活性酶在食用柑橘纖維的人類中是相關(guān)的

研究內(nèi)容
 

01
 

作為表征腸道細(xì)菌類釋放纖維相關(guān)生物活性成分的出發(fā)點(diǎn)，研究者選擇了一種商業(yè)化食品級(jí)柑橘纖維來源，該來源來自榨汁過程的副產(chǎn)物，沒有經(jīng)過化學(xué)處理及提取，對(duì)原始生物成分保留較好。接下來對(duì)2組成年C57BL/6J無菌小鼠定植了測序得到的人類腸道14個(gè)菌株組成的菌群，另2組小鼠保持無菌。這4組小鼠在添加或不添加10%橘纖維的情況下，自由喂食21日的高飽和脂肪、低水果和蔬菜膳食（HiSF-LoFV膳食飼料）。對(duì)獲取的盲腸內(nèi)容物進(jìn)行LC-Qtof-MS/MS分析顯示，在食用補(bǔ)充橘纖維飲食的定植小鼠中，與其他3個(gè)實(shí)驗(yàn)組相比，盲腸內(nèi)容物中有116個(gè)特征增加至少3倍。其中N-甲基-5-羥色胺顯著特征僅在喂食補(bǔ)充橘纖維飲食的定植小鼠中大量存在，并且在14個(gè)定植的菌株中，卵形擬桿菌菌株和狄氏副擬桿菌釋放N-甲基-5-羥色胺量最高。隨后研究者對(duì)其他農(nóng)作物中的N-甲基-5-羥色胺含量進(jìn)行檢測，包括玉米、小麥、水稻和木薯等全球主要糧食以及美國常見的水果和蔬菜，卻只在三個(gè)來源的樣本中檢測到，顯示了柑橘纖維的特殊性。
 

Figure1. Colonization and orange-fiber-dependent accumulation of N-methylserotonin in the intestines of gnotobiotic mice.

02
 

為了探索N-甲基-5-羥色胺的宿主效應(yīng)，研究者首先檢測了它是否能在小鼠體內(nèi)代謝。結(jié)果表明，小鼠不能直接代謝N-甲基-5-羥色胺。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中給12周齡無菌C57BL/6J小鼠喂食未補(bǔ)充橘纖維的HiSF-LoFV飲食，并通過其飲用水額外給予N-甲基-5-羥色胺21日。與未經(jīng)治療組相比，口服較高量的N-甲基-5-羥色胺使附睪脂肪量顯著減少、肝糖原顯著增加、代謝前體尿苷等顯著減少、糖原分解/糖異生形成關(guān)鍵代謝中間產(chǎn)物也顯著減少?；谶@些結(jié)果，研究者檢測了受試小鼠肝臟和結(jié)腸中的基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)差異基因與晝夜節(jié)律和脂肪酸相關(guān)的GO生物通路相符合。有研究表明與晝夜節(jié)律相關(guān)的基因在協(xié)調(diào)結(jié)腸運(yùn)動(dòng)的腸肌叢中表達(dá)，研究者又對(duì)受試鼠胃腸道傳輸時(shí)間進(jìn)行了檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，N-甲基-5-羥色胺能顯著減少腸轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間/增加運(yùn)動(dòng)能力。
 

Figure 2. Effects of orally administered N-methylserotonin in germ-free mice.

03
 

研究者篩選了24種其他系統(tǒng)發(fā)育多樣性的人類腸道細(xì)菌菌株，但沒有一種菌株產(chǎn)生了大量的N-甲基-5-羥色胺。并且卵形擬桿菌菌株和狄氏副擬桿菌都不能產(chǎn)生高水平的N-甲基-5-羥色胺?；谶@些體外研究結(jié)果，繼續(xù)使用這兩種菌株在三組成年C57BL/6J無菌小鼠中定植，結(jié)果顯示各聯(lián)合體內(nèi)的所有菌株均能在受體動(dòng)物上定植。定植4個(gè)菌群的小鼠總生物量比定植14個(gè)菌群的動(dòng)物低2倍。對(duì)糞便樣本分析顯示，定植4/14個(gè)菌群小鼠中，N-甲基-5-羥色胺水平高于10個(gè)菌群組，體重增長和附睪脂肪墊質(zhì)量顯著較低，腸道傳輸時(shí)間也顯著減少。該結(jié)果顯示了人體腸道細(xì)菌菌株從添加橘纖維的HiSF-LoFV飲食中釋放N-甲基-5-羥色胺的特異性和宿主生理效應(yīng)。
 

Figure 3. Specificity and host physiologic effects of N-methylserotonin release from the orange-fiber-supplemented HiSF-LoFV diet by human gut bacterial strains in vivo.

04

研究者采用比較基因組學(xué)和功能基因組學(xué)方法來表征從橘纖維中釋放N-甲基-5-羥色胺的機(jī)制。為了鑒定與N-甲基-5-羥色胺釋放相關(guān)的基因，對(duì)所有12株卵形擬桿菌進(jìn)行了基因組測序，并注釋了所有已知或預(yù)測的編碼蛋白，確定了133個(gè)基因。橘纖維中含有高半乳糖醛酸、鼠李半乳糖醛酸、木聚糖和阿拉伯糖等結(jié)構(gòu)。而擬桿菌屬具有多個(gè)多糖利用位點(diǎn)。這些位點(diǎn)編碼的蛋白質(zhì)參與各種糖結(jié)構(gòu)的結(jié)合和輸入，以及催化其降解的碳水化合物活性酶。研究者發(fā)現(xiàn)卵形擬桿菌TSDC 17.2株和115株的多糖利用位點(diǎn)保守性和共向性均很高，可以通過表達(dá)聚糖的降解酶來釋放纖維中的N-甲基-5-羥色胺，而人類基因組中缺乏這種酶，這種酶起到了分子剪刀的作用，可以分解橘纖維中的復(fù)雜糖類結(jié)構(gòu)釋放N-甲基-5-羥色胺。

Figure4. In vitro B. ovatus strain-specific N-methylserotonin‘mining’phenotypes and identification of candidate genes involved in its release from the OF preparation.

05

為了評(píng)估這些體外分析和小鼠模型的結(jié)果對(duì)人類的可轉(zhuǎn)化性，研究者分析了兩項(xiàng)臨床試驗(yàn)參與者的糞便樣本。對(duì)受試者給予柑橘纖維和豌豆纖維的零食，評(píng)估采掘在不同背景飲食中是否穩(wěn)。蚤儐宋欠癖硐殖鎏匾煨，以及是否依賴于攝入的橘纖維量。結(jié)果表明，攝入柑橘纖維零食的與攝入豌豆纖維零食的人群相比有著較高水平的N-甲基-5-羥色胺，卵形擬桿菌的豐度在食用期間有顯著差異，碳水化合物活性酶CAZyme基因（β葡聚糖/纖維素酶、半乳聚糖等）也顯著上調(diào)。綜上所述，臨床結(jié)果揭示了糞便中N-甲基-5-羥色胺的橘纖維特異性、劑量依賴性積累，其中N-甲基-5-羥色胺的濃度與編碼果膠聚糖靶點(diǎn)CAZymes的微生物組基因的豐度呈正相關(guān)。

Figure 5. Dose-and fiber-dependent accumulation of N-methylserotonin of adult dizygotic twin pairs consuming fifiber snack food prototypes.

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