益生菌对人体健康影响的基因组和表型证据外文翻译资料

 2022-08-07 14:12:22

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益生菌对人体健康影响的基因组和表型证据

摘要

某些乳酸菌（LAB）具有占据人体粘膜生态位的能力，包括口腔、胃肠道和阴道。在共生菌中，LAB是嗜酸菌复合体的一个物种，它被证明是具有益生菌特性的微生物的重要储藏库。具体地说，gasseri乳酸杆菌是一种本地微生物，根据基因组序列的可用性和对人类粘膜的物种特异性适应，对其益生菌活性进行了评估。与生态位相关的gasseri菌的特性包括对低pH环境的耐受性、对胆盐的耐受性和对宿主上皮的粘附性。在人类中，L.gasseri通过其抗菌活性、细菌素的产生以及先天和适应系统的免疫调节而获得各种健康益处。临床试验数据证实了支持在益生菌应用中使用L.gasseri的基因组和经验证据，这些临床试验数据显示维持阴道内稳态、缓解幽门螺杆菌感染和改善腹泻。

引言

益生菌是“活的微生物，当以足够的量给药时，会给宿主带来健康益处”（粮农组织/世卫组织，2002年）。益生菌微生物与维持粘膜内稳态和免疫系统相关的若干健康益处相关，这些益处通过在胃肠道（GIT）和阴道中预防和治疗应用，有可能改善人类健康（B等人，2011年）。许多特征良好的益生菌菌株是乳酸菌（LAB），这是一种系统发育多样的革兰氏阳性真细菌分支，以乳酸为主要代谢终产物发酵葡萄糖。实验室主要适应营养丰富的环境，包括植物和食物生态系统以及哺乳动物粘膜。它们是第一批将GIT与双歧杆菌一起定殖的细菌，尽管双歧杆菌在早期定殖中占优势（R，2001）。口腔也被认为是肠道细菌的储存库，是实验室常见的粘膜生态位（D amp; H，2006）。益生菌主要是乳酸杆菌和双歧杆菌属，但也有一些显著的例外（D amp; S，2008）。gasseri乳杆菌是一种多产的本地微生物，在人体的GIT、口腔和阴道中定植。gasseri乳酸杆菌被归类为B组嗜酸复合微生物，可通过遗传测定和明显缺乏主要表层（S层）蛋白质的方式与A组成员区分（P等人，1993；B等人，1996）。与人类粘膜定植有关的生态位相关表型，包括口腔、GIT和阴道，由实验室如L.gasseri展示，可能有助于或增强益生菌活性。

属于嗜酸菌类的商业益生菌培养物，例如嗜酸乳杆菌

三种S层蛋白（Goh等，2009）已被用作益生菌已有40多年的历史了。嗜酸乳杆菌NCFM是一种广泛消费的，公认的益生菌微生物，其双盲、随机、安慰剂对照的临床试验证实了它的有效性、安全性和积极影响人类健康的倾向。具体而言，嗜酸乳杆菌NCFM的施用与病毒感染症状的改善、肠道功能相关参数的改善以及微生物群艰难梭菌亚群的减少有关（L等人，2009年；O等人，2009年；R等人，2011年；L等人，2012年）。嗜酸乳杆菌NCFM的基因组序列促进了对关键基因决定因素的功能分析，这些决定因素有助于其在人类GIT中的生存和活性，这进一步增加了其作为益生菌的地位（A等人，2005年）。益生菌的活性取决于GIT传代期间的存活率和小肠微生物群的短暂支配，其中益生菌与宿主上皮的粘附有助于差异基因表达和免疫调节（B 等人，2007；V等人，2011）。微生物-益生菌微生物的宿主串扰也通过诱导紧密连接蛋白的上调、paneth细胞防御素的增加和杯状细胞粘蛋白的增加而促进上皮屏障的完整性（ M ，2003；S，2007；A，2010；K等人，2010年）。益生菌与常驻肠道微生物的相互作用也可能导致宿主微生物群中的差异表达，从而有助于GIT的稳态或引起肠道病原体的直接对抗（C等人，2007；L等人，2012）。为了应用新的益生菌物种，适当的鉴定和大量的体外、体内和临床证据必须证明它们在食品或补充剂中的使用是为了让更多的人安全食用（S等人，1998年）。如表1所示，通过实验室工业平台（LABIP）的合作，确定了选择益生菌微生物的几个标准。越来越多的证据表明，通过满足这些标准，L.gasseri具有显著的益生菌应用潜力。益生菌候选的重要标准是安全性和有效性（G，1994；S等人，1998）。由于与益生菌培养物相关的健康益处的菌株特异性以及与错误识别相关的本质安全问题，正确识别益生菌微生物至关重要（S等人，2010）。最初，通过表型和代谢分析，gasseri与嗜酸乳杆菌不可区分，直到在嗜酸乳杆菌乳酸脱氢酶的电泳特征中观察到不同的亚群后，才被归类为单独的生物体（G，1970；G等人，1970）。由于嗜酸乳杆菌和gasseri乳杆菌难以通过细胞形态学和生物化学手段进行区分，因此必须发展实用的杂交技术，以区分这两种细菌（L等人，1991年；Pot等人，1993年）。基于DNA-DNA杂交技术，gasseri乳杆菌被定义为一种独立的生物体（Lamp;K，1980；L等人，1980）。从那时起，其他基于核酸的方法已经被开发出来，用于区分嗜酸菌复合体的密切相关成员，包括比较16s rRNA基因内的可变区（V1和V2）序列和使用乳酸杆菌特异性引物的重复元件PCR（Rep-PCR）（K等人，2000；G等人，2001）。然而，由于16s rRNA 基因序列在物种间具有高度的序列相似性，16s rRNA基因序列在区分gasseri和嗜酸乳杆菌及johnsonii中的应用受到限制。相反，由全基因组序列分析实现的用于产生gasseri特有扩增子的特异性引物设计，提供了与其他嗜酸复合微生物更大的区别（K等人，2005）

益生菌菌株的特性

在对益生菌候选菌株进行正确的分类鉴定后，必须对该菌株进行表1所列性状的评估，其中基因组序列是必不可少的。值得注意的是，测序有助于在菌株水平上进行分化，并识别构成排除标准的不良基因，包括完整的毒力基因和可传播的抗生素抗性基因。假定的益生菌菌株应该是非致病的、非侵袭性的、非致氧的，并且表现出可接受的抗生素耐药谱。毒理学分析和流行病学追踪表明，商业益生菌在健康个体中大剂量食用时，引起败血症或不良副作用的倾向较低（D等人，1993；S等人，1996；S等人，2002）。gasseri对粘膜生态位的广泛定殖表明其作为健康个体的共生体的普遍存在（图1），并且没有任何与健康损害相关的联系，证实了其安全性（D等人，2007；D等人，2007年；H等人，2007年；H等人，2011年）。事实上，L.gasseri常见于婴儿中，是参与GIT早期定植的主要物种之一，并在整个成年期持续存在（W等人，2007）。gasseri对阴道的定植及其对婴儿GIT的早期定植似乎表明了向新生儿转移的潜在途径（B等人，1979；F等人，2007）。L.gasseri ATCC 33323的基因组序列显示，除了促进粘附或毒素和药物外流系统的利基相关基因外，没有可传播的抗生素抗性基因和其他有害基因（A等人，2008）。尽管如此，不能认为所有的gasseri菌株都缺乏可传播的抗生素抗性基因，因此在商业化之前，必须对每个假定的益生菌菌株进行抗生素抗性评估和基因组测序。以小鼠为实验对象，在每天给1010CFU，持续30天（L等人，2007）。检测细菌移位和粘膜屏障完整性，以及血清应激参数。延长治疗不会增加细菌移位，也不会显著改变任何生化或血液学参数，包括粘蛋白的降解。该菌株对临床相关抗生素无明显耐药性。用L.gasseri对小鼠进行毒理试验的结果与相同剂量但持续时间为5天的人类喂养研究得到了证实（H等人，2011）。肠内稳态、肝和肾功能的标志物没有受到治疗的显著影响，血液参数也没有受到影响。尽管这种微生物在健康人中已被证实是安全的，但值得注意的是，用于治疗目的的益生菌可用于上皮屏障功能和免疫系统受损的个人，如老年人、新生儿和易患自身免疫疾病的人（S等人，2010年）。这些人可能更容易感染败血症或益生菌给药的副作用。然而，令人感兴趣的是，即使在屏障完整性或免疫系统功能受损的个体中，益生菌菌株的治疗给药也不会增加易位或败血症的发生率（L等人，2009年；S等人，2010年）。由于人类健康和GIT生态系统的固有复杂性，很难预测特定益生菌培养物的安全性，特别是当其用于受损个体时。此外，表明临床安全性的研究不能外推到密切相关的菌株或不同的宿主系统。

体外生存和活性的基因组基础

益生菌培养物在整个保质期内和通过GIT的运输过程中必须在运载工具（食品或胶囊）中保持活力，以有效保持益生菌活性。益生菌的生长条件、加工参数、载体特性和应激反应决定了它们在这些不同环境中的生存能力。益生菌在GIT中的存活和瞬时定殖取决于耐酸性、抗胆盐性、粘附能力、代谢能力和几种宿主依赖性因素。因此，有必要强调基因组测序在益生菌选择过程中的作用，因为它可以在疗效的矽肺评估中发挥作用，并提供涉及益生菌机制的基因型和调控网络的全基因组分析。嗜酸乳杆菌复合微生物的基因组比较表明，嗜酸乳杆菌和约翰逊氏乳杆菌具有相当大的同源性，但和B组两者之间存在较大的相似性微生物L.gasseri和L.johnsonii（K等人，2005）。gasseri-ATCC 33323的基因组序列揭示了其在胃肠道存活的机制基础以及潜在的益生菌基因型。然而，益生菌对人类健康的影响取决于宿主体内的活性；因此，有必要进行表达分析，以及对关键基因型的体外和体内检测，以评估基因组特征的相关性。

胃肠道通过过程中的酸和胆汁暴露是益生菌在胃肠道中存活和保持活性的重要障碍（S，1999）。LAB编码了几种耐酸机制，包括F1F0 ATPase和鸟氨酸脱羧酶，以在酸性环境中维持细胞内稳定的pH值。gasseri乳酸杆菌ATCC 33323编码GroEL、GroES、DnaK、DnaJ和Clp蛋白酶伴侣，以防止应激期间蛋白质在细胞内聚集（A等人，2008）。已证明胆盐水解酶和胆盐转运蛋白赋予GIT中共生微生物胆汁耐受性，并代表益生菌存活的重要属性（B等人，2006a，b）。gasseri的基因组编码一个包含两个胆盐转运子的操纵子和一个胆盐水解酶，与嗜酸乳杆菌NCFM和L.johnsonii NCC533中的相应蛋白具有相当的同源性。gasseri乳酸杆菌还含有一种胆盐水解酶同系物，该同系物专门水解结合到牛磺酸的胆盐和一种类似于嗜酸乳杆菌的操纵子，该操纵子被证明会影响胆汁耐受性（M等人，2005；A等人，2006年；P等人，2007年）。有趣的是，gasseri和嗜酸乳杆菌的体外胆汁耐受性是pH依赖性的，gasseri在pH值为6时比嗜酸乳杆菌的胆汁耐受性高出一个数量级。对几种gasseri菌株在模拟胃液中存活的分析产生了菌株特异性活力，但一般来说gasseri菌株是耐酸和耐胆汁的（F等人，2003年；S等人，2007年；A等人，2008年；J等人，2012年）。

粘液层的粘附和可能的渗透是重要的益生菌特性，可能有助于GIT的短暂定殖和病原体的竞争性排斥。穿透黏液层的能力也可能促进与固有层肠上皮细胞和常驻免疫系统细胞的直接相互作用（A等人，2008年）。与粘液、细胞外基质和肠上皮细胞的粘附是由革兰氏阳性微生物细胞表面的多种因素介导的，包括脂磷壁酸、粘液结合蛋白、纤维连接蛋白结合蛋白和S层蛋白（G等人，1999年；B等人，2005年）。虽然它们缺乏编码S层蛋白的基因，但L.gasseri编码被注释为“聚集促进因子”（Apf）的蛋白质，Apf与嗜酸乳杆菌的S层蛋白具有一些共同特征，暗示了共享功能的可能性（V等人，2002）。具体地说，乳酸杆菌S层蛋白具有高预测pI、低硫氨基酸含量和高疏水氨基酸含量，类似地在gasseri的Apf蛋白中观察到。Apf蛋白的遗传结构在多个gasseri菌株之间是保守的，编码为两个串联基因，间隔一个短的基因间区域，具有乳酸杆菌S层基因排列的特点。嗜酸乳杆菌NCFM的S层蛋白与免疫系统的调节和对Caco-2细胞的粘附有关，但gasseri中的Apf蛋白是否具有类似的功能尚待研究（K等人，2008；G等人，2009）。此外，加氏乳杆菌ATCC 33323包含14种粘液结合蛋白，其中6种具有信号肽，其中4种被预测通过分选酶A与膜共价连接LPTXG基序的切割（A 等人，2008）。这些蛋白包含多个粘液结合区，与reuteri 1063和嗜酸乳杆菌NCFM中的功能性粘液结合蛋白具有同源性（Ramp;J，2002；B等人，2005）。gasseri乳杆菌还含有一种假定的纤维连接蛋白结合蛋白，它可能介导与哺乳动物细胞外基质的粘附。该蛋白与L.johnsonii NCC 533和嗜酸乳杆菌NCFM中的纤维连接蛋白结合蛋白有同源性，但它们在粘附中的作用尚未得到证实。对多个gasseri菌株与Caco-2肠细胞的粘附性进行了评估，并显示了菌株特异性粘附能力，但通常低于嗜酸乳杆菌NCFM（A等人，2008）。与其他乳酸杆菌菌株相比，gasseri-ATCC 33323菌株对Caco-2、HT-29和LS-174T细胞系的粘附能力略高，但低于L.reuteri菌株。体外试验提供了一种评估相对粘附特性的实用方法，以及建立观察表型的遗传和机械基础，但必须通过体内相关性测定来证实。黏液结合蛋白和纤维连接蛋白结合蛋白对gasseri-ATCC 33323粘附的影响尚待研究。

在L.gasseri ATCC 33323中观察到的广泛代谢能力可能有助于上GIT的瞬时定殖。然而，当编码20种不同的磷酸烯醇丙酮酸依赖性磷酸转移酶系统（ PTS ）以供糖的摄取和发酵几种单糖时，L.gasseri ATCC 33323不发酵5种碳糖，也不编码beta;-半乳糖苷酶（Azcarate Peril等人，2008）。相反，它编码两个PTS和四个假定的磷酸-beta;-半乳糖苷酶用于乳糖的代谢，尽管有些菌株的gasseri不发酵二糖（Hamp;V，1995）。有趣的是，尽管L.gasseri在早期肠道定植中是一种普遍存在的微生物，并且通常从母乳中分离出来，但与其他密切相关的乳酸杆菌不同，ATCC 33323不能发酵母乳低聚糖或低聚果糖（W等人，2006；R等人，2012）。

抗菌活性与细菌素生产

许多实验室通过产生几种拮抗化合物，包括有机酸、过氧化氢和细菌素，证明了对其他多种细菌的抗菌活性（图2）。细菌素被归类为蛋白质类抗菌化合物，可杀死密切相关

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