婴儿肠道共生菌Bifidobacterium breve的基因组信息揭示了定植和宿主-微生物相互作用的遗传决定因素

原创

来源：汪文雅

2026-01-27 15:44:54

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核心提示：揭示了短双歧杆菌的核心必需基因（406 个）、定植适应性遗传决定因素、葡萄糖磷酸应激耐受机制、双歧状细胞形态的生理意义，以及芳香乳酸合成的 redox 平衡功能，为解析婴儿肠道共生菌的定植机制、宿主 - 微生物互作及益生菌应用提供了全面的基因组尺度资源。

短双歧杆菌（Bifidobacterium breve ）是婴儿肠道核心共生菌，参与营养代谢、免疫训练（如产生吲哚 - 3 - 乳酸 ILA），但对其定植机制、宿主互作的遗传基础理解有限。本研究以婴儿肠道共生菌短双歧杆菌（Bifidobacterium breve UCC2003）为对象，构建了包含23 万个转座子插入片段的高密度随机条形码转座子库和覆盖1462 个基因的有序突变体集合，通过368 种体外扰动实验和7 组体内定植实验，生成了突变体适应性纲要。核心目的：构建基因组尺度研究工具，系统解析短双歧杆菌的基因功能、代谢特征及定植适应性，填补婴儿肠道益生菌的机制研究缺口

01 基因组特征与必需基因

通过转座子插入密度分析，确定406 个候选必需基因，与前期研究重叠率高，新增条件性必需基因（如厌氧核糖核苷酸还原酶）。以及对比大肠杆菌、艰难梭菌等，发现104 个短双歧杆菌特有必需基因，富集于中心碳代谢（如双歧杆菌特有糖酵解支路），为靶向调控提供潜在靶点。

02 代谢机制解析

构建 iBbr401 模型，包含 440 个反应，其中 290 个反应获体外适应性数据支持，修正 28 个基因注释错误，补全组氨酸（hisN 基因）和甘氨酸（Bbr_0493-0494）合成通路缺口。另外检测到 4 种芳香乳酸代谢物（PLA、ILA、4-OH-PLA、HICA）；关键基因：araT（转氨酶）、aldh（脱氢酶），该通路通过再生 NAD + 维持 redox 平衡，提升营养匮乏条件下的生长适应性。对于碳源，双功能二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）适应不同肠道醌类可用性；对于氨基酸，丝氨酸、酪氨酸等氨基酸摄取受限，依赖从头合成支持定植。

03 定植适应性实验结果

体内定植的碳源依赖，棉子糖家族寡糖（RFOs，如棉子糖、水苏糖）是短双歧杆菌在成人肠道定植的关键碳源，rafA 基因（α- 半乳糖苷酶）突变体在所有宿主（小鼠 / 鸡）和饮食条件下均表现强烈定植缺陷。葡萄糖磷酸应激与缓解机制，在 MAC 缺陷饮食（仅葡萄糖为碳源）的无菌小鼠中，短双歧杆菌的葡萄糖 PTS 系统突变体显著富集，表明野生型菌株因摄取葡萄糖引发 “葡萄糖磷酸应激”，导致细菌死亡（体外验证：低氨基酸培养基中葡萄糖可使活菌数降至 3%）。拟杆菌（Bt）预定植 24h 可完全消除该应激，推测 Bt 通过改造肠道营养环境（如消耗过量葡萄糖、分泌氨基酸前体）降低毒性，揭示了 “先驱菌 - 后续菌” 的协同定植机制。不同宿主与饮食的定植差异，小鼠定植中，rafA 是唯一关键 CAZyme 基因；鸡定植中，Bbr_1903（β- 葡萄糖苷酶）、melD（α- 葡萄糖苷酶）与 rafA 同等重要，反映宿主消化吸收差异导致的碳源可利用性不同。