科研 | Cell Host & Microbe: 不同结构的膳食纤维（DFs）可以精确调节肠道微生物组指导短链脂肪酸产生
编译：小范儿，编辑：小菌菌、江舜尧。
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通常认为膳食纤维（DFs）以有益的方式影响肠道微生物组。但是，尚不清楚是否可以通过具有不同化学结构的DF实现对肠道微生物群的精确和可预测的操纵，尤其是其代谢活性。该研究通过对健康人群中三种IV型抗性淀粉(RS4s)的剂量反应试验，发现晶体和磷酸盐交联淀粉结构会对微生物组组成产生不同的、高度特异性的影响，这些影响与丙酸盐或丁酸盐产量变化有关。RS4诱导的优势效应在各处理组间非常一致，剂量依赖性平台期为35g /d，可以通过不同途径的细菌类群对RS4的底物特异性结合和利用来解释这一结果。总的来说，这些发现支持使用不同结构DF实现针对肠道微生物组及其与健康相关的代谢功能的靶向操作的潜力。
论文ID
原名：Precision Microbiome Modulation with Discrete Dietary Fiber Structures Directs Short-Chain Fatty Acid Production
译名：具有不同结构的膳食纤维（DFs）精确调节微生物组指导短链脂肪酸产生
期刊：Cell Host& Microbe
IF：15.753
发表时间：2020.01.30
通讯作者：Jens Walter
作者单位：加拿大阿尔伯塔大学埃德蒙顿分校农业，营养和食品科学系
实验设计
对40名健康个体（每组10人）进行了随机双盲、安慰剂对照、平行four-arm剂量反应研究，以比较三种RS4s（玉米、土豆或木薯衍生）和一种可消化玉米淀粉（安慰剂）对人类粪便菌群的影响（图1A）。
研究对象食用四周淀粉，每周的DF逐渐增加至10、20、35和50 g /天，以及等量的安慰剂（图1A）。由于时间限制，三名受试者退出研究，忘记补冲（potato RS4，n = 2），因此又招募其他受试者，并随机分为这些组（图1B）。
在干预期间，人体测量学、体力活动、感知压力和饮食摄入均未改变，除了研究队列报道的每天平均摄入18克膳食纤维外，治疗组还额外提供了RS4膳食纤维。之后通过16S rRNA基因测序对粪便细菌群落进行表征，对粪便SCFA浓度进行分析，对粪便菌群，SCFA浓度，以及不同的RS4之间的相关性进行系统分析。进行剂量之间的Spearman相关性分析检验RS4的剂量-反应关系。通过检查RS4剂量反应与肠道菌群OTU的相关性，确定RS4诱导的SCFA产生的变化是否与细菌类群的特定影响相关，通过比较4种代表玉米和木薯RS4富集的OTU的淀粉分解种菌株的粘附和利用能力，确定导致RS4s底物特异性的机制。
结果
1. 粪便微生物总体组成和多样性
通过16S rRNA基因测序分析粪便细菌群落特征。与基线和安慰剂相比，玉米和木薯RS4s增加受试者间微生物组组成(β-多样性)的差异（图2A）。对于玉米RS4，当剂量为R20 g/d时，受试者间变异增加。相比之下，对于木薯RS4，受试者间的变异在10 g/d时减少，在50 g/d时增加。然后，测试RS4的摄入是否会对整个菌群的微生物组成产生影响。与安慰剂相比，木薯RS4在35 g/天和50 g/天时也能引起受试者体内 β多样性显著变化(图2B)。玉米和木薯RS4分别在R20 g/d和R35 g/d时降低菌群的 α-多样性(图2C，2D)。对于这两个RS4，α多样性的减少是因为在菌群内部或菌群之间菌群均匀度降低（图2E和2F），而不是操作分类群（OTU；序列相似度为98％）降低。（图2G和2H）。总的来说，肠道微生物组分析显示，高剂量的玉米和木薯RS4通过增加人与人之间的差异、改变群落组成和降低群落均匀度来改变粪便细菌群落。安慰剂和马铃薯RS4对 β-或 α-多样性没有影响，表明后者可能在很大程度上仍未发酵。
2. 粪便菌群的分类组成
与在β 和α 多样性中观察到的变化一致，玉米和木薯RS4改变细菌类群的相对丰度，而马铃薯RS4和安慰剂几乎没有检测到任何作用（图3）。效果明显，几乎完全是底物特异性的。玉米RS4富集Eubacterium rectale (OTU1), Oscillibacter spp.（OTU559），和与瘤胃球菌相似度几乎100%的OTU27，相比之下，木薯RS4富集卟啉单胞菌科（Porphyromonadaceae），副拟杆菌属（Parabacteroides）以及Parabacteroides distasonis (OTU21)、Parabacteroides spp. (OTU49)、Faecalibacterium prausnitzii (OTU32)、和Eisenbergiella spp. (OTU9)。此外，玉米和木薯RS4组青春双歧杆菌（OTU3）的富集都达到统计学显着性（q <0.07）。玉米和木薯RS4也导致分类群数量减少。玉米RS4降低与 Ruminococcus callidus (OTU57)，Agathobaculum butyriciproducens（OTU84），和Adlercreutzia equolifaciens（OTU100）。木薯RS4降低一个未分类的瘤胃球菌科属以及Eubacterium hallii（OTU67）和Clostridium viride（OTU132）（图3）。与玉米和木薯RS4的底物特异性富集相反，许多由玉米RS4引起的分类群减少也可以在木薯RS4中观察到，反之亦然，尽管这两个组均未达到统计学意义。总的来说，这些发现表明，玉米和木薯RS4之间的结构差异有选择性地提高特定OTU的适应性，同时也发现分类群的减少，但似乎不具有特异性。
3. RS4化学作用决定粪便SCFAs的产量
尽管食用RS4不会改变SCFA的总浓度（p> 0.1，双向rANOVA），但不同的RS4对单个SCFA的影响却有所不同。组内比较显示，与基线相比，玉米RS4有选择地增加丁酸浓度和相对比例，特别是在35g /天的剂量下（图4A）。相反，木薯粉RS4在35 g /天增加丙酸浓度。这些发现通过组间比较得到证实，表明玉米RS4提高丁酸的相对比例，同时降低丙酸的比例。与玉米RS4相比，木薯淀粉RS4增加丙酸浓度（图4B和4C）。安慰剂和马铃薯RS4均未改变SCFA水平或相对比例。观察到木薯RS4的BCFA和SCFA之间的比率显著降低，特别是在35 g /天的剂量下，而相对于基线，玉米RS4的降低具有统计学意义（图4D）。在两组之间进行比较时，木薯粉RS4相对于马铃薯RS4和安慰剂降低BCFA与SCFA的比率（图4E）。结果表明，玉米和木薯RS4s均有上调糖酵解的特异性，表现为BCFAs降解和SCFA提高，这是蛋白水解发酵的表现。
4.RS4s的作用呈剂量依赖性
为了检查RS4剂量反应的相关性，在剂量（即0 g /天至50 g /天）与OTU的丰度之间进行Spearman关联，所有CARG和SCFA的浓度显示出最大的增加（图5A）。与上面检测到的底物特异性效应一致，玉米RS4的剂量与E. rectale（OTU1；rs = 0.34，p = 0.015），CAG6（rs = 0.26，p = 0.066）和丁酸（rs = 0.31）正相关。而木薯粉RS4的剂量与P. distasonis（OTU21; rs = 0.39，p = 0.005），CARG1（rs = 0.33，p = 0.019）和丙酸（rs = 0.28，p = 0.049）正相关。马铃薯RS4或安慰剂未检测到剂量反应相关性。为了进一步了解RS4剂量依赖效应的强度，绘制所有时间点上OTUs、CARGs和SCFAs的平均丰度或浓度，以及这些变量相对于先前时间点的绝对变化。如图5B和5C所示，所有被玉米RS4富集的OTUs，以及OTU3（青春双歧杆菌）和CAG6的增加，均表现为稳定在35g /天。有趣的是，由玉米和木薯RS4分别诱导的丁酸和丙酸浓度的增加也表明在35g/d时趋于稳定（图5d）。这些发现表明，RS4对肠道菌群的影响是剂量依赖性的，在玉米和木薯RS4s剂量为35 g/天时检测到停滞状态。
5. SCFAs的反应解释了RS4s对微生物区系组成的选择性作用
为了确定RS4诱导的SCFA产生的变化是否与细菌类群的特定影响相关，进行Spearman相关分析（图6）。玉米RS4引起的丁酸比例的变化与E.rectale的增加正相关，主要的丁酸盐生产者，而与R. bromii的增加负相关。相反，木薯粉RS4引起的丙酸比例变化与Eisenbergiella spp.的增加呈负相关。同时与主要产琥珀酸的细菌 P. distasonis呈正相关。在整个数据集中也可以检测到组内的一些相关性。丁酸的变化与E.rectale的改变相关，丙酸的变化与P. distasonis的改变相关。这些发现表明，SCFA产生的变化是RS4对微生物群成员具有针对性和结构依赖性的影响的结果，微生物群成员具有利用RS4并产生各自SCFA的途径。
图6.细菌丰度的变化与SCFA相对比例变化之间的关联。
6. RS4的特殊作用可以通过选择性的细菌粘附和底物利用来解释
为了确定导致RS4s底物特异性的机制，比较4种代表玉米和木薯RS4富集的OTU的淀粉分解种菌株的粘附和利用能力。B. adolescentis IVS-1， E.rectale 17629，R. bromii L2-63，和P. distasonis 8503。分析表明，这些菌株结合和利用不同RS的能力各不相同。B. adolescentis IVS-1，R. bromii L2-63，和P. distasonis 8503都能在体外粘附到所有RS4颗粒，而E. rectale 17629仅粘附于玉米RS4，但不粘附于马铃薯或木薯RS4（图7A）。此外，尽管所有菌株都能够利用玉米RS4进行生长，但只有B. adolescentis IVS-1和P. distasonis 8503在木薯RS4上生长，而E. rectale 17629和R. bromii L2-63却无法在木薯RS4上生长（图7B）。总而言之，体外实验显示木薯RS4在粘附和利用方面的底物特异性差异与我们的体内发现相符，为人体试验中不同RS4的特异性作用提供潜在的机制。
讨论
本研究发现，DFs之间的不同结构差异可对整体肠道菌群多样性、组成和功能产生重大而明显的影响，导致少数对各自底物具有适应性的细菌类群的选择性富集。这些分类群对各自的底物具有适应性。这些成分反应与SCFA对丁酸盐或丙酸盐产生的定向变化有关。RS4s的主要组成和功能效应依赖于剂量，在总人群中以35 g/d的剂量达到稳定。即使所有影响都显示出个体间的差异，但RS4诱导的主要变化却非常一致。从生态学的角度来看，DFs构成胃肠道中的资源，这些资源即让直接利用它们的初级降解菌群生长，还通过降解过程中释放的公共产物交叉喂养间接受益的微生物。在本研究中，只有有限数量的细菌类群被选择性富集，表明在多样的微生物群中，只有少数微生物具有竞争性地获取和利用玉米和木薯RS4分子结构所需的特殊适应能力。因此，已知被富集的微生物能有效利用淀粉，但它们与RS4结合的能力不同，而且它们可能也能接触到RS4独特的晶体结构和交联结构。
这项研究揭示了将RS4用于微生物群定向干预以改善健康的重要见解。一般来说，玉米和木薯RS4s会引起肠道微生物群的反应，这可能是有益的，在不减少总分类群数量的情况下，以损害蛋白水解为代价来加强糖的发酵。此外，我们的发现为更合理地利用玉米和木薯RS4实现有针对性地控制肠道菌群失调，从而产生特定的健康指标提供基础。这一策略可用于粪便微生物菌群移植，目的是为特定细菌提供底物为所选择的细菌获得竞争生态位机会。例如，玉米RS4可能用于纠正2型糖尿病患者的菌群失调，在2型糖尿病患者中，E. rectale的丰度较低，该物种与改善的血糖控制呈正相关。此外，丁酸盐的免疫调节特性使玉米RS4成为治疗和/或预防结肠直肠癌、炎症性肠病和肥胖相关炎症的候选药物。另一方面，木薯淀粉RS4可用于纠正肥胖和非酒精性脂肪性肝病等菌群失调相关的P.distasonis丰度降低。为此，最近小鼠实验研究发现，用活菌P.distasonis治疗可以减少高脂饮食引起的体重增加、高血糖和肝脂肪变性。由于木薯RS4可以上调IGN和厌食激素，因此可以进一步将其作为胰岛素耐受性和肥胖症的治疗靶标。玉米和木薯RS4的混合物可以同时提高丁酸盐和丙酸盐的产量，对治疗肥胖症及其免疫代谢失调尤其重要。鉴于RS在面粉食品生产中的技术特性，可以很容易地用于特定患者群体的医疗食品和一般食品供应。
总结
Deehan等结果表明，具有较小结构差异并经过化学修饰的抗性淀粉对肠道微生物组具有不同且高度特异性的影响，指导丙酸盐或丁酸盐产量的变化。在各治疗组中，显著的作用具有一致性，且剂量依赖性在35 g时达到峰值（图8）。
该研究通过对健康人群中三种IV型抗性淀粉(RS4s)的剂量反应试验，发现晶体和磷酸盐交联淀粉结构会对微生物组组成产生不同的、高度特异性的影响，这些影响与丙酸盐或丁酸盐产量的定向产生有关。表明合理地利用RS4可以有针对性地控制肠道菌群失调。揭示将RS4用于微生物群定向干预以改善健康的重要见解。
总而言之，本研究为智能操纵结肠微生物群的不同DF结构提供机械框架的支持提供了证据，该框架的关键方面适用于人类微生物群落的竞争约束，因为DF结构实际上与特定微生物的表型相一致，而这些表型在它们的代谢途径中不同，从而指导生理相关代谢物的产生。利用DF化学结构的微小差异对肠道微生物群产生实质性、高选择性和可控制的影响的能力，为开发涉及与健康相关的功能输出的设计型碳水化合物的精确方法铺平道路。该研究建立的DF诱导效应的显著剂量依赖性允许对微生物组进行更系统和更精确的调节，这些信息大部分在该领域比较缺乏。而且虽然方法可以通过个性化优化，但该研究发现的一致性和其他已发表研究的高重复性表明，基于不同DF结构的微生物调节策略可以成功地应用于整个人群。
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