Идентификация потребителей гликанов в образцах микробиоты кишечника человека с использованием метаболической маркировки в сочетании с флуоресценцией

Nature Communications, том 14, номер статьи: 662 (2023) Цитировать эту статью

5927 Доступов

1 Цитаты

42 Альтметрика

Подробности о метриках

На состав и метаболизм микробиоты кишечника человека сильно влияют пищевые комплексы гликанов, которые оказывают последующее воздействие на физиологию и здоровье хозяев. Несмотря на недавние достижения в понимании метаболизма гликанов кишечными бактериями человека, нам все еще нужны методы, позволяющие связать гликаны с потребляющими их бактериями. Здесь мы используем функциональный анализ для выявления и выделения кишечных бактерий здоровых добровольцев, которые поглощают различные гликаны. Этот метод сочетает в себе метаболическое мечение с использованием флуоресцентных олигосахаридов с сортировкой клеток, активируемой флуоресценцией (FACS), с последующим секвенированием ампликонов или культуромикой. Наши результаты демонстрируют метаболическую маркировку у различных таксонов, таких как Prevotella copri, Collinsella aerofaciens и Blautia wexlerae. Проверка in vitro подтверждает способность большинства, но не всех меченых видов потреблять интересующий гликан для роста. Параллельно мы показываем, что потребители гликанов, охватывающие три основных типа, могут быть выделены из культур отсортированных меченых клеток. Связывая бактерии с гликанами, которые они потребляют, этот подход расширяет наше базовое понимание метаболизма гликанов кишечными бактериями. В дальнейшем его можно будет использовать для понимания механизма пребиотических подходов, в которых гликаны используются для управления составом микробиоты кишечника.

Микробиота кишечника является неотъемлемой частью физиологии человека, поскольку она метаболизирует нашу диету, синтезирует необходимые витамины и аминокислоты, тренирует иммунную систему и защищает нас от патогенов1,2,3,4,5. Достижения в области генетических и биоинформатических инструментов привели к новому пониманию сложности и разнообразия кишечной микробиоты, а также ее важности при заболеваниях человека6. Микробиом кишечника обогащен генами, участвующими в гликолизе и углеводном обмене2,7. Посредством этих углеводоактивных ферментов (CAZymes) кишечные бактерии метаболизируют полученные из пищи сложные гликаны (пищевые волокна), которые достигают толстой кишки непереваренными хозяином8,9. Следовательно, диета является основным фактором, определяющим состав и разнообразие кишечной микробиоты, в большей степени, чем генетические факторы10. Действительно, изменения в диете обычно приводят к быстрым модификациям микробного метаболизма и изменению структуры микробного сообщества7,11. Важно отметить, что даже незначительные структурные различия в гликанах могут привести к различным результатам микробного метаболизма в исследованиях добавок на людях12.

Наше понимание CAZymes быстро развивается, о чем свидетельствует характеристика локусов утилизации полисахаридов (PUL) у Bacteroidetes, таких как система утилизации крахмала (SUS), широко изученная у Bacteroides thetaiotaomicron13. Локус Sus кодирует белки, ответственные за связывание (SusDEF) и деградацию клеточной поверхности (SusG) полисахаридов крахмала в олигосахариды, которые транспортируются в периплазму с помощью TonB-зависимого транспортера SusC, где они далее перерабатываются в моносахариды гликозидгидролазами ( GH) SusAB14. Аналогично, специфические PUL были описаны для многих других гликанов, таких как маннан, β-глюкан, ксилоглюкан и галактоманнан15,16,17,18,19. С другой стороны, грамположительные бактерии содержат транспортеры, которые могут интернализировать олигосахаридные структуры, такие как фруктоолигосахариды (FOS) с помощью четырехкомпонентного MsmEFGK в Lactobacillus acidophilus20 или β-маннаны с помощью белка, связывающего растворенные вещества (MnBP) и двух пермеаз (MPP). в Roseburia кишечной21. Несмотря на эти достижения, многие PUL по-прежнему имеют неизвестную субстратную специфичность, а семейства GH могут иметь несколько субстратов, что затрудняет прогнозирование активности на основе секвенирования9,13,22,23,24. Таким образом, необходимы функциональные методы, которые связывают гликаны с их основными потребителями, особенно для Firmicutes и других менее изученных представителей микробиоты кишечника человека25.

99% identity and coverage). Note that all annotations are considered putative and subject to improvement as database errors are resolved and new species are characterized./p>99% identity, and 100% identity was obtained for 86 out of the 93 ESVs. The sorted glycan+ samples exhibited lower bacterial α-diversity indices (observed ESVs, Chao1, and Shannon) than those of the starting stool samples, which is consistent with the labeled cells representing a subset of the initial gut microbiota samples (Fig. S3a). A principal component analysis (PCoA) showed a clustering of samples according to the individual (Fig. S3b), indicating that interpersonal differences in microbial communities explained most of the variance (45%). However, constrained ordination (CAP) analysis was performed using the labeled cells versus the initial stool samples as an a priori hypothesis and produced two distinct clusters on an ordination axis; this result explained 9% of the variance (Fig. S3c) and once again supported the enrichment of specific bacterial taxa from the original stool sample. Clustering of NYST-F+ cells from the other two probes was observed by further constraining the analysis by glycan type (Fig. S3d)./p>99% identity and coverage thresholds. α- and β-diversity and ordination were analyzed using R scripts with the vegan library, and differential abundance analysis was performed using DESeq249./p>