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文献解读 | NC-水豚肠道菌群具有全新酶机制,用以降解植物多糖

简介:

 

最大的活啮齿动物——水豚可以通过微生物共生机制有效地解聚和利用木质纤维素生物质,但其机制目前还不清晰。本文利用宏基因组结合代谢组、宏转录组等技术研究,阐明了将膳食纤维转化为短链脂肪酸(宿主的主要能量来源)所涉及的菌群、酶系统和代谢途径。

 

 

英文标题:Gut microbiome of the largest living rodent harbors unprecedented enzymatic systems to degrade plant polysaccharides

中文标题:水豚肠道菌群具有全新酶机制,用以降解植物多糖。

发表期刊:Nature Communications

影响因子:14.919

发表时间:2022年02月02日

 

技术路线:

 

 

1. 水豚肠道中有与植物纤维分解相关的菌群

 

 

发现的最丰富的细菌是厚壁菌门和拟杆菌门,其次是梭杆菌门和变形杆菌门。在海狸、马、兔子和考拉的肠道菌群中也观察到丰富的厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门 , 这是后肠食草动物的共同特征。

 

 

宏基因组组装基因组(MAGs)中发现的新菌被认为是植物纤维降解者,包括纤维杆菌和拟杆菌。其中,MAGs 41-44可能代表了一种新的拟杆菌属,具有木质纤维素降解的遗传潜力。高质量的MAG42含有多糖利用位点,最终发现了GH173家族。说明水豚肠道菌群可能含有新的高性能分子系统,可用于植物纤维的分解和利用。

 

2. 纤维杆菌和拟杆菌是水豚肠道中主要的膳食纤维降解者

 

 

通过盲肠和直肠的MG和MT数据研究与植物纤维解聚相关的基因潜力。共鉴定出7377个CAZymes基因,106个编码糖苷水解酶(GH)、11个碳水化合物酯酶(CE)和10个多糖裂解酶(PL)家族,最丰富的CAZymes是GH3、GH2和GH1家族的成员。

 

 

对水豚肠道菌群的CAZyome分析表明,纤维杆菌是纤维素分解的主要驱动因素,而PUL和CAZymes簇使拟杆菌有大量酶促策略,来处理复杂多样的半纤维素。

 

3. 水豚肠道中79个独特MAGs的代谢重建

 

 

观察到的最丰富的代谢物是乙酸盐,与丙酮酸发酵成乙酸盐相关的基因在盲肠和直肠样品的MG和MT数据中都非常丰富,分别来自厚壁菌门、拟杆菌门和梭杆菌门。代谢途径重建分析表明,乙酸盐可以由从水豚肠道微生物组中回收的任一细菌MAG产生。

 

4. 水豚肠道中的β-半乳糖苷酶GH家族

 

 

CapGH173是拟杆菌MAG42的,系统发育分析表明CapGH173与GH-A CAZy家族关系较远,其中GH30和GH5是最接近的。

 

 

在拟杆菌属MAG42中,CapGH173存在于预测的PUL中,包括来自家族GH2和GH78的酶。发现CapGH173与GH36模块或具有GH36成员的PUL融合,表明存在协同关系。说明GH173可作用于果胶多糖中的β-连接的半乳糖基残基。

 

5. 拟杆菌MAG57中降解杂木聚糖的酶促系统

 

 

拟杆菌MAG57有一个前所未有的碳水化合物结合模块家族。MAG57包含大量CAZyme编码基因,该簇编码来自GH43和GH97家族的两种外酶,以及具有未知45 kDa N端结构域的非常规GH10成员。该结构域可与GH10结构域的底物相互作用,将CapGH10催化结构域靶向木聚糖多糖。非常规的模块化内-β-1,4-木聚糖酶与构成簇CC107的GH43、GH97酶组合,可能赋予MAG57作用于复杂杂木聚糖的能力。

 

小结:

 

 

水豚肠道菌群和参与将膳食多糖解聚和转化为短链脂肪酸(SCFA)的酶促策略如图所示,纤维素很可能是通过来自Fibrobacteres的复杂机制进行处理,而一组来自Bacteroidetes多糖利用位点上的碳水化合物活性酶可以处理常在禾本科植物和水生植物中发现的复杂半纤维素。研究发现了一个糖苷水解酶家族的β-半乳糖苷酶(GH173),和一个参与木聚糖结合的碳水化合物结合模块家族(CBM89)。

 

参考文献:

Lucelia C, et al., Gut microbiome of the largest living rodent harbors unprecedented enzymatic systems to degrade plant polysaccharides. Nature Communications. 2022.

 

 

 

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