微生物与宿主的爱恨情仇.docx

微生物与宿主的爱恨情仇.docx

《微生物与宿主的爱恨情仇.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微生物与宿主的爱恨情仇.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

微生物与宿主的爱恨情仇

复杂的微生物群落影响各种环境，包括哺乳动物胃肠道、土壤、水体等。

而微生物产生的代谢产物影响宿主生理，这些代谢物可以对宿主产生有益的作用（例如短链脂肪酸）和有害的作用（例如colibactin）。

可通过改变微生物,影响宿主健康与疾病。

“微生物主要聚集在宿主什么部位？

群体结构如何？

怎样影响宿主生命活动？

”，这些问题都是大家比较关注的也是研究核心，那接下来小维就分享下常见动物胃肠道微生物环境和微生物如何通过代谢物调控宿主生命活动。

1、微生物物种特性

动物体内广泛的表面是胃肠道（GIT），其中藏有种类繁多和数量众多的微生物，而定居在胃肠道中的微生物群落对于宿主代谢至关重要。

微生物易受内部和外部环境影响，且不同物种、不同GIT部位微生物群落结构（优势种群）有所不同。

（1）人

人类胃肠道中存在着大约100万亿个微生物：

其中大多数是细菌，还有病毒、真菌和原生动物。

人类基因组由大约23000个基因组成，而微生物组编码超过300万个基因，产生数千种代谢产物，这些代谢产物取代了宿主的许多功能，因此影响宿主的适应性、表型和健康。

成人肠道菌群及其所有成员之间都建立了稳态，由两个主要细菌门（拟杆菌和厚壁菌门）构成，它们总数超过人类肠道中微生物的90％，而放线菌、蓝细菌、梭杆菌门、变形杆菌和疣微球菌门的含量较低。

此外，从婴儿期到幼儿期，从少年到成年以及怀孕期间，肠道菌群组成都会发生波动。

（2）鸡

鸡GIT由900多种细菌组成。

当鸡孵化后，GIT开始定殖微生物。

母源性细菌定殖率很低，另外一些研究推测小肠的微生物群落结构会在两周内稳定下来，盲肠需要更长的时间。

共生微生物对宿主有益，因为它们提供氨基酸、短链脂肪酸和维生素。

肠分为三个上段：

嗉囊，前胃和肌胃。

嗉囊是淀粉分解和乳酸发酵的食品储藏袋。

消化始于前胃，而肌胃则研磨食物。

由于肌胃较低的pH值和发酵活性，因此起了微生物屏障的作用。

嗉囊和肌胃微生物群落相似，主要菌群为乳酸杆菌、兼性和微需氧细菌，梭菌科、肠球菌丰度也较高。

嗉囊中还包括双歧杆菌和肠杆菌科。

小肠由三部分组成：

十二指肠，空肠和回肠，这些部位发生营养吸收和食物消化。

由于低pH值、胰腺和胆汁分泌，十二指肠中的细菌密度相对较低。

乳酸杆菌是空肠的主要定居者（覆盖率高达99％），还鉴定出了链球菌。

研究人员发现十二指肠和空肠中乳酸杆菌属的相对比例随年龄增加。

鸡的回肠中所含乳酸杆菌的丰度较高（N68％），链球菌、肠杆菌科和梭菌科较低。

回肠中微生物群落发育的所有不同阶段，乳杆菌占主导地位。

乳酸杆菌可能在营养物质的利用、吸收率和鸡的性能方面起着重要作用。

鸡有两个盲肠，对于回收尿素、吸收水以及消化纤维素、淀粉和多糖很重要。

盲肠具有高的细菌密度，并被专性厌氧菌（梭状芽孢杆菌、拟杆菌和双歧杆菌）定殖，丰富的微生物使盲肠成为重要的研究部位。

鸡粪便样本被乳杆菌、梭状芽孢杆菌、粪杆菌属、瘤胃球菌、芽孢杆菌、优杆菌属和梭菌定殖。

粪便微生物群落不稳定，其波动与肠段的排空有关。

有研究指出粪便中宿主/细菌相互作用的可能性较低。

鸡GIT微生物群落特征

（3）猪

猪具有复杂的肠道菌群，可与宿主建立牢固而复杂的相互作用，及其在营养、免疫和生理功能中的意义变得越来越重要。

猪GIT研究多的是回肠（小肠）、盲肠和结肠（大肠），并且沿GIT存在纵向和横向差异。

与其他肠段相比，回肠管腔样品在丰富性和丰度方面显示出较低的微生物多样性，只包括Fimicutes和Proteobacteria。

盲肠和结肠微生物门类轮廓高度一致，主要包括Fimicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes和Spirochetes，还存在其他门类，例如纤维杆菌、放线菌、Tenericutes、互养菌门和浮霉菌门。

与结肠样品不同，回肠中发现粘膜和管腔细菌群落存在显著差异，并且回肠菌群功能基因完全不含果胶和半纤维素降解酶。

相比之下，所有部位都编码淀粉降解酶。

结肠微生物组含有编码多糖降解的功能基因，回肠微生物富含单糖和氨基酸摄取相关功能基因。

因此，可以根据猪GIT的系统发育水平明确碳水化合物的降解步骤，首先是通过拟杆菌的编码途径将多糖转化为寡糖，然后进行摄取和发酵。

碳水化合物代谢是SEED系统富集多的，占猪粪便宏基因组的13％。

其他丰富的功能基因与细胞壁和荚膜、压力和毒力有关。

猪GIT微生物群落特征

（4）反刍动物

全世界有超过35亿的反刍动物，包括牛、绵羊和山羊，构成了人类食品的重要来源。

这些动物拥有一个复杂的胃肠道微生物组：

每毫升瘤胃液中包含约1010个细菌、107个古细菌、108个原生动物和103个真菌孢子。

作为交换，它们提供了各种酶，这些酶对于将植物纤维分解成挥发性脂肪酸和微生物粗蛋白至关重要。

阐明瘤胃微生物群在塑造宿主生理参数中的作用后，以通过调节细菌群落结构来提高农业产量。

瘤胃微生物情况

瘤胃中细菌是丰富的，代表该生态系统中超过95％的微生物。

不同动物瘤胃微生物群结构也有很大差异，并受特定饮食影响。

研究人员通过宏基因组学方法分析了瘤胃液体和固体部分中细菌群落结构，结果表明固体部分中细菌含量更高，如瘤胃球菌属、反刍月形单胞菌、产琥珀酸丝状杆菌，更多的参与多糖的降解。

牛瘤胃微生物群落特征

研究人员对3头牛荷斯坦奶5个部位肠道内容物（每日3个时间点）采样，并进行微生物多样性检测，结果表明动物个体之间的差异大于部位或时间点之间的差异，瘤胃液样本中也观察到类似情况。

另外一些研究发现在牛微生物群中存在着广泛的糖苷水解酶催化模块，这些模块具有35个糖苷水解酶家族。

并且有研究指出特定的饮食是决定细菌群落结构及其代谢产物的主要因素。

2、微生物调控宿主机制

微生物可以合成、调节和降解大量的小分子，从而为宿主的代谢提供功能上的补充。

尤其是，微生物可以代谢宿主无法代谢的饮食成分，例如复杂的碳水化合物。

此外，细菌基因组有助于初级代谢产物的产生和次级代谢产物的调节，这些代谢产物以多种方式影响宿主生理，包括脂肪酸、维生素、神经活性代谢产物和氨基酸，其有益作用范围从上皮稳态、免疫细胞发育和神经元调节到营养物消化。

当宿主和微生物群之间的平衡被破坏时，宿主健康受到威胁。

（1）微生物-代谢物

在宿主微生物代谢轴内，多个细菌基因组可以调节代谢反应，从而导致微生物组和宿主基因组对底物进行组合代谢，例如产生宿主必需的胆汁酸、胆碱和短链脂肪酸（SCFA）。

短链脂肪酸又称挥发性脂肪酸，是肠道微生物发酵日粮纤维的终产物，主要包括乙酸、丙酸和丁酸及其盐类，而且具有重要的生理调控作用，如调控细胞的增殖与分化、细胞凋亡、免疫反应、营养物质吸收和脂类代谢等。

胆汁酸经肝脏合成，在肠道菌群作用下形成游离胆汁酸或结合型胆汁酸，再次进入肝肠循环。

表肠道细菌及其贡献的代谢产物

（2）微生物-代谢物-免疫

宿主的先天免疫系统与微生物组之间通过代谢产物的相互作用跨越了多种细胞类型。

SCFA（乙酸、丙酸和丁酸等）是厌氧共生细菌发酵碳水化合物的结果。

丁酸可以调节肠上皮细胞的能量代谢、抑制细胞自噬、增强Foxo3启动子活性，SCFAs有助于维持上皮屏障，这显示出可以增强对感染的保护作用。

另外有研究揭示了特定细菌衍生的代谢产物参与上皮内淋巴细胞功能的调节，如色氨酸、吲哚。

微生物群可通过多种代谢物产生来调节有助于粘膜免疫稳态的信号传导途径（下图）。

微生物-代谢-宿主免疫调控途径

（3）微生物-代谢物-动物营养健康

肠道菌群影响动物健康的许多领域，从先天免疫力到食欲和能量代谢。

丁酸盐是人类结肠细胞的主要能源，可以诱导结肠癌细胞的凋亡，并可以激活肠道糖异生，对葡萄糖和能量稳态具有有益的作用。

丙酸转移到肝脏，通过与肠道脂肪酸受体的相互作用调节糖异生和饱腹感信号。

SCFA的高产生与饮食引起的肥胖症和胰岛素抵抗降低有关。

肠道微生物酶有助于胆汁酸代谢，产生未结合的和继发的胆汁酸，它们充当信号分子和代谢调节剂，从而影响重要的宿主途径。

 膳食磷脂酰胆碱和肉碱（来自肉类和奶制品）的三甲胺生产取决于肠道菌群，三甲胺在肝脏中被氧化为三甲胺-N-氧化物，与动脉粥样硬化和不良心血管事件的发生率正相关。

吲哚丙酸与膳食纤维的摄入量高度相关，并且在体外具有有效的自由基清除活性，降低了2型糖尿病发生的风险。

人发育与疾病过程中的肠道菌群

鸡肠段被新型产生丁酸的细菌定殖，这些细菌可能在营养物质的利用、吸收率和鸡性能方面起着重要作用。

猪回肠富含单糖和氨基酸摄取的众多细菌。

反刍动物瘤胃中瘤胃球菌属、产琥珀酸丝状杆菌、反刍月形单胞菌参与多糖降解。

一项研究表明，牛瘤胃中厚壁菌门与拟杆菌的比率与乳脂含量有关，但大多数菌群与残余饲料摄入表型有关。

饮食对瘤胃微生物及其代谢产物具有显著影响，草饲动物中纤维降解微生物增加升高了宿主可吸收的VFA的产量，膳食不同可影响瘤胃中发酵有害中间体积聚，如乳酸。

阐明瘤胃微生物群在塑造宿主生理参数中的作用，可以通过调节细菌群落结构来提高农业产量。

图日粮添加剂对瘤胃微生物组和发酵的潜在影响及其在动物饲养中的使用限制

3、我们的服务

通过以上两大部分的总结，我们可以看出微生物及其代谢在宿主生命活动中扮演着重要的角色，并且宿主-微生物-代谢轴也是相当复杂的。

可提供领先的微生物组学+代谢组学研究方案，目前宿主-微生物-代谢轴研究主要探讨胃肠道微生物及其代谢物、微生物对宿主代谢的影响、微生物代谢物对宿主代谢的影响。

宿主-微生物-代谢轴研究思路图

可提供多组学研究手段如下：

以上就是今天小维分享的全部内容，希望对各位老师有用。

如果有相关领域研究，也可以来找小维哦。