FSHW | 嗜热链球菌对宿主生理机能的调控因菌株而异
FSHW | 嗜热链球菌对宿主生理机能的调控因菌株而异
嗜热链球菌作为经典的发酵乳制品菌种，其益生特性一直备受关注。然而，关于不同菌株对宿主生理机能影响的研究却鲜有报道。江南大学食品学院的研究团队通过给小鼠喂食4株不同嗜热链球菌，系统研究了其对肠道菌群、黏蛋白、血清和粪便代谢组的影响，并通过比较基因组学分析揭示了菌株差异性的分子机制。
作为经典发酵剂菌种，嗜热链球菌被广泛应用于发酵乳制品的生产中。同时，关于嗜热链球菌益生特性的报道也陆续出现，如嗜热链球菌菌株在肠黏膜炎、腹泻和结肠癌等疾病模型中的应用，但是这些研究多聚焦于单个菌株，缺乏嗜热链球菌菌株差异性对宿主及相关功能的影响研究，以及相关菌株基因组特征解析。
在本研究中，江南大学食品学院于朋博士、刘小鸣教授等探究了4株嗜热链球菌菌株（LMD9、4M6、DYNDL13-4和DQHXNQ38M61）对C57BL/6J小鼠生理机能（肠道黏蛋白、肠道菌群及血清与粪便代谢组）的影响。此外，通过比较基因组学分析，探讨了嗜热链球菌菌株在碳水化合物代谢、氨基酸代谢、膜转运和信号转导相关基因方面的差异化。
不同嗜热链球菌菌株对小鼠肠道菌群的影响
嗜热链球菌对肠道菌群的影响具有菌株差异性（见正文）。在干预28 d后，四株嗜热链球菌都改变了C57black/6J小鼠的固有肠道微生物群的结构（图1a）。DYNDL13-4和DQHXNQ38M61对肠道菌群的扰动性较小，但是二者均能促进双歧杆菌的生长，且在摄入期间与双歧杆菌的丰度紧密正相关。而LMD9和4M6的影响规律则趋向一致，对肠道菌群的扰动性较大（图1b-c）。
对结肠黏蛋白糖基化及降解的影响
与Control组相比，4株嗜热链球菌均能降低Fut2的表达（图2a），说明嗜热链球菌的摄入降低了黏蛋白的岩藻糖基化。此外，DQHXNQ38M61能显著上调硫酸转移酶Gal3st2的表达（图2b），在黏蛋白降解方面，DQHXNQ38M61可以显著降低α-岩藻糖苷酶活性及其产物岩藻糖含量（图2c-d），表明DQHXNQ38M61的摄入能提高结肠黏蛋白的硫酸化，降低黏蛋白岩藻糖的降解。
对小鼠血清及粪便代谢组的影响
PLS-DA分析表明摄入四株嗜热链球菌后均可以改变宿主的血清和粪便代谢谱，在血清代谢中，LMD9和4M6组的代谢谱更相似，而DQHXNQ38M61组则区别于其余组。在粪便代谢中，LMD9和4M6组的代谢谱同样更相似，DYNDL13-4和DQHXNQ38M61组则更相似，这种规律与菌株对肠道菌群属水平的影响规律一致（图3a-b）。
KEGG富集分析表明，四株菌均能引起粪便和血清中色氨酸代谢通路的富集。相比于4M6和LMD9组，DYNDL13-4和DQHXNQ38M61在调节其余氨基酸代谢（如苯丙氨酸、酪氨酸、组氨酸等）、脂质代谢、维生素及核苷酸代谢等方面也明显富集（图3c-d）。以上结果说明，DYNDL13-4和DQHXNQ38M61调节宿主的代谢范围更广泛。
嗜热链球菌菌株的比较基因组分析
比较基因组分析结果表明，4株菌在膜转运、信号转导、碳水化合物代谢及氨基酸代谢通路上的编码基因数量不同，DYNDL13-4和DQHXNQ38M61在这些功能上的编码基因多于LMD9和4M6。以上这些功能基因可能赋予菌株较强的胃肠道适应能力和营养物质的利用代谢能力，从而影响其调节宿主体内代谢的能力。
本研究首次在嗜热链球菌DQHXNQ38M61中发现一条完整的由lacABCDEFG组成的T-6P途径（图4a）。动物实验结果表明，在DQHXNQ38M61干预组中T-6P代谢途径中相关的基因丰度最高，粪便中6-磷酸-半乳糖苷酶活性显著高于其他组（图4b-c）。但是T-6P途径的存在是否与菌株DQHXNQ38M61调节宿主肠道菌群和代谢等相关特性具有相关性尚需进一步实验进行验证。
结论
嗜热链球菌对结肠黏蛋白糖基化和降解、肠道菌群及宿主代谢的影响具有菌株特异性。对嗜热链球菌的比较基因组学分析表明，DYNDL13-4和DQHXNQ38M61含有较多的碳水化合物代谢、氨基酸代谢、膜转运和信号转导相关基因，这些基因可能与菌株的营养利用和胃肠道适应能力有关。本研究为了解不同嗜热链球菌菌株对宿主的调控作用提供了有价值的信息，有助于嗜热链球菌的个性化开发与应用。
作者简介
于朋，女，工学博士，主要研究方向为食品微生物资源挖掘及开发、肠道微生物与健康。目前主持省研究生实践创新项目1项，参与国家自然科学基金1项。以第一作者身份发表SCI论文3篇；申请国家专利3项。
刘小鸣，美国华盛顿州立大学博士，康奈尔大学访问学者，现为江南大学食品学院教授、益生菌与肠道健康国际联合研究中心（科技部）副主任，兼任乳品领域学术期刊International Dairy Journal编委。主要研究领域为功能性食品定向创制、乳酸菌生理功能解析与应用、以及乳基特殊食品的研发等。主持并参与多项国家与省部级科研项目，包括国家自然科学基金、国家重点研发项目；与光明乳业股份有限公司、上海妙可蓝多食品科技股份有限公司、荷兰皇家菲仕兰公司等国内外企业进行深度产学研合作。研究成果获得中国专利金奖、中国商业联合会科学技术奖一等奖、中国轻工业联合会科学技术进步奖二等奖等奖项。
Strain-specific effect of Streptococcus thermophilus consumption on host physiology
Peng Yua,b, Yang Jianga,b, Yuqi Pana,b, Min Guob, Bo Yanga,b,c, Xiaoming Liua,b,c,*, Jianxin Zhaoa,b, Hao Zhanga,b,d, Wei Chena,b,e
a State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
b School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
c International Joint Research Laboratory for Pharmabiotics & Antibiotic Resistance, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
d Wuxi Translational Medicine Research Center and Jiangsu Translational Medicine Research Institute Wuxi Branch, Wuxi 214122, China
e National Engineering Research Centre for Functional Food, Wuxi 214122, China
*Corresponding author.
Abstract
Streptococcus thermophilus is one of the most prevalent species in stool samples of westernized populations due to continuous exposure to fermented dairy products. However, few studies have explored the effect on host physiology by multiple S. thermophilus strains and considered the inter-strain differences in regulating host. In the present study, we investigated how four S. thermophilus strains influenced the gut microbiota, mucin changes, and host metabolism after 28 days of intervention in conventional mice. The results indicated that the consumption of S. thermophilus affected the host with strain specificity. Among four S. thermophilus strains, DYNDL13-4 and DQHXNQ38M61, especially DQHXNQ38M61, had more effect on host physiology by modulating gut microbiota and host metabolism than LMD9 and 4M6. Ingestion of strains DYNDL13-4 and DQHXNQ38M61 resulted in more remarkable changes in amino acid metabolism and lipid metabolism than that of strains LMD9 and 4M6, which may be related to the elevation of intestinal Bifi dobacterium by DYNDL13-4 and DQHXNQ38M61. The enriched Coriobacteriaceae UCG-002, Rikenellaceae RC9 gut group, and Lactobacillus only in the DQHXNQ38M61 group, had a close relationship with the prominent effect of DQHXNQ38M61 on regulating amino acid and lipid metabolism. In addition, DQHXNQ38M61 had a strong influence on degrading colonic mucin fucose by decreased α-fucosidase activity in feces, and improving mucin sulfation by upregulated Gal3ST2 expression. Comparative genomic analysis revealed that the four S. thermophilus strains belonged to different branches in the phylogenetic tree, and DYNDL13-4 and DQHXNQ38M61 had more genes involved in carbohydrate metabolism, amino acid metabolism, membrane transport, and signal transduction, which may confer the capacity of nutrient utilization and gastrointestinal adaptation of the strains and be associated with their strong regulation in host. Our study provides valuable information for understanding the regulation of host metabolism after consuming different S. thermophilus strains and could facilitate potential personalized applications of S. thermophilus based on strain varieties.
Reference:
YU P, JIANG Y, PAN Y Q, et al. Strain-specific effect of Streptococcus thermophilus consumption on host physiology[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(5): 2876-2888. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250233.
本文编译内容由作者提供
编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇
封面图片来源：图虫创意