基于宏基因组技术的肠道菌多糖裂解酶介导海藻多糖治疗代谢综合征的研究

Metabolic syndrome plagued about 25% of the world's population and has become one of the most serious public health problems of today. Studies have shown that seaweed polysaccharides could alleviate metabolic syndrome by regulating gut microbiota structure, and could also be metabolized by gut microbial polysaccharide lyases. However, the mechanism of these polysaccharides modulates the gut microbiota structure, how the gut microbiota modulation contributes to metabolic syndrome, and whether exists a specific species or composition of seaweed polysaccharide which is more susceptible to be degraded by polysaccharide lyase or exhibits better anti-metabolic syndrome effect have not been confirmed. This project aims to reveal the difference of core polysaccharide lyases in the gut microbiota of healthy and metabolic syndrome mice through metagenomic data-mining. Then, the heterologous expression of the key polysaccharide lyases and their enzymatic properties in cleaving seaweed polysaccharides were investigated. Moreover, the effects of selectively hydrolyzed and the parent seaweed polysaccharides on alleviating metabolic syndrome and regulating the composition of gut microbiota as well as polysaccharide lyases were investigated in mice. Finally, seaweed polysaccharides showing best anti-metabolic syndrome effect would be identified, and the mechanism of polysaccharide lyases in the treatment of metabolic syndrome by seaweed polysaccharides was explored. This project lays a theoretical foundation for the development of polysaccharide lyase targeted special medical foods, health products, and pharmaceuticals, and provide a scientific basis for the development of seaweed polysaccharide products. This project is innovative, forward-looking and has potential commercial application value.

代谢综合征困扰着全球约25%的人口，已成为当今最严峻的公众健康问题之一。研究表明海藻多糖可以通过调节肠道菌群而缓解代谢紊乱，而它自身又可以被肠道菌多糖裂解酶代谢。但是其调节肠道菌群的机制，肠道菌组成的改变如何影响代谢综合征，是否存在特定种类或组成的海藻多糖更容易被多糖裂解酶代谢或有更好的治疗代谢紊乱的效果等问题仍不明确。本项目拟通过宏基因组技术揭示健康小鼠与代谢综合征小鼠肠道菌中核心多糖裂解酶的不同，对关键的多糖裂解酶进行异源表达及其代谢海藻多糖的特点进行研究；通过小鼠实验考察经多糖裂解酶水解前后的海藻多糖治疗代谢综合征的效果，及其对肠道菌群和多糖裂解酶的影响，确定疗效最佳的海藻多糖并阐述多糖裂解酶在海藻多糖治疗代谢综合征中的作用机制。本项目将为以多糖裂解酶为靶点的特殊医疗食品、保健品和药品开发奠定理论研究基础，为海藻多糖产品开发提供科学依据，本研究具有创新性、前瞻性和潜在的商业应用价值。

海藻多糖与肠道菌之间的相互作用在其防治代谢综合征过程中发挥着重要作用，但具体作用机制还不明确。本项目首先通过宏基因组挖掘技术完成了3个独立的代谢综合征案例中多糖利用单元的标记基因SusD的分布情况分析，确定了健康小鼠肠道菌中核心的多糖利用单元，以及代谢综合征小鼠肠道菌中显著变化的多糖利用单元，通过异源表达获得了关键多糖利用单元中的9个新颖的糖苷酶，尽管其中一个糖苷酶PL2具有优良的降解淀粉的活性，但它们均无法有效降解项目组制备的多种海藻多糖样品。近期的研究表明岩藻糖苷酶可以将复杂海藻多糖降解成小分子量的岩藻多糖，因此项目组又建立了岩藻糖苷酶的宏基因组挖掘方法，分析了5个海藻附生微生物案例的92个宏基因组数据集中岩藻糖苷酶的分布情况，结果表明cluster 75在所有案例的海藻样本中的丰度显著高于海水等对照样品，因此项目组选取了cluster 75中的WP-73进行异源表达，但该蛋白未能成功表达。项目组在对前期报道的具有降解岩藻多糖活性菌株的基因组进行分析时发现它们的功能基因分布具有特定的规律，因此利用深度学习领域的Jensen-Shannon散度分析方法建立了一个预测细菌降解岩藻多糖潜力的模型。在项目执行过程中，项目组通过化学降解的方法制备了一系列不同分子量的海藻多糖，通过小鼠动物实验筛选得到两个海藻多糖(756kDa的岩藻多糖LjC和5.1kDa的岩藻聚糖J2H)具有优良的防治代谢综合征的活性，16S rRNA高通量测序与宏基因组测序关联分析发现LjC和J2H防治代谢综合征的效果与多株肠道菌株的丰度密切相关，包括Bacteroides acidifaciens 和Bacteroides sartorii等4种具有岩藻多糖降解潜力的菌株。本项目为深入研究海藻多糖与肠道菌的相互作用奠定了基础，对海藻多糖类益生元，以及Bacteroides acidifaciens 和Bacteroides sartorii等益生菌的研发奠定了理论研究基础，具有潜在的商业应用价值。