利用无菌小鼠模型首次揭示嗜酸乳杆菌体内转录组

嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus NCFM）是一种常用于乳制品和膳食补充剂的益生菌菌株。已有的体外基因组学研究将其多种基因型与益生菌相关特性联系起来，包括肠道存活、益生元利用、宿主相互作用以及免疫调节等。为了进一步了解NCFM进入宿主肠道后的生理状态，本研究利用无菌小鼠模型，对NCFM定殖后的群体进行了宏基因组和转录组分析。结果证实，NCFM在体内能够保持较好的基因组稳定性，并进一步揭示了其在肠道不同部位的基因表达特征，为评价其作为益生菌及生物治疗递送平台的安全性和适应能力提供了依据。

S层相关基因的高表达

古生菌以及部分真细菌（包括一些乳杆菌）的细胞最外层通常存在由蛋白质或糖蛋白亚基组成的规则晶体结构，即S层。嗜酸乳杆菌NCFM具有3个S层蛋白编码基因，分别为slpA（LBA0169，显性）、slpB（LBA0175，沉默）和slpX（LBA0512，辅助）。

与体外培养条件下的结果类似，slpA是NCFM在体内表达水平最高的基因之一，slpX也属于肠道转运过程中转录水平较高的基因。这一结果提示，维持活跃的细胞表层对于NCFM适应肠道环境具有重要意义。除slpA外，与肠上皮细胞黏附和应激耐受相关的基因也表现出较高的表达水平，包括聚集促进因子样蛋白、S层相关蛋白以及部分功能尚未明确的蛋白。

与此同时，多种应激反应相关基因在体内也保持较高的表达水平，说明NCFM进入肠道后需要持续应对不同的环境压力。大量核糖体蛋白和糖酵解相关酶的高表达，则表明NCFM在肠道环境中仍具有较为活跃的蛋白质合成和能量代谢活动。

体内核心转录本与空间转录特征

研究发现，有267个基因在NCFM沿肠道转运过程中表现出持续的差异表达，可定义为体内核心基因。这些基因分别占回肠、盲肠和结肠差异表达基因的51%、34%和39%。部分核心诱导基因集中分布于特定的基因组区域，例如复制起点附近的负链区域，同时也有一些基因以操纵子的形式存在。这种基因的空间聚集及协同调控，可能有利于NCFM根据肠道内营养物质和环境条件的变化快速调整自身的生理状态。

核心诱导基因主要参与碳水化合物、蛋白质和核苷酸的运输与代谢，提示这些过程对于NCFM在宿主体内的生存和营养获取具有重要作用。此外，一些表面黏附素、黏液结合蛋白以及S层相关蛋白也表现出较高的表达水平，这些蛋白可能参与NCFM与宿主组织之间的相互作用，并影响其黏附和免疫调节功能。

其中，有5个基因编码具有LPxTG细胞壁锚定序列的蛋白，包括两个黏液结合蛋白（LBA1019和LBA1652）、一个可能的纤维蛋白原结合蛋白（LBA1496），以及两个功能尚未明确的表面蛋白（LBA1654和LBA1633）。值得注意的是，编码LBA1652、LBA1496和LBA1654的基因在体外胆汁暴露条件下也表现出较高的表达水平，提示这些蛋白可能参与NCFM对肠道环境的适应。LBA1633含有多个RIB/α结构域（PF08428），这类结构域此前被认为与宫颈和阴道上皮细胞的黏附有关，因此LBA1633可能也参与宿主表面的黏附过程。

图1 利用无菌小鼠模型首次揭示嗜酸乳杆菌体内转录组[1]

NCFM在盲肠和结肠中的表达特征

盲肠和结肠中的NCFM群体共有345个差异表达基因，并表现出较为明显的协同调控特征。总体来看，NCFM在盲肠和结肠中的转录组具有较高的相似性，约77%～89%的差异表达基因，包括体内核心基因，在两个部位表现出一致的调控趋势。这可能与盲肠在肠道内容物进入结肠之前所发挥的储存作用有关，因此盲肠中的细菌群体可能对后续结肠中的NCFM群体产生一定影响。

在这些共同上调的基因中，主要功能类别包括糖PTS系统、糖酵解、细胞壁生物发生、细胞分裂以及蛋白质翻译等，约占345个基因的44%。与小肠相比，盲肠中的NCFM细胞密度更高，管腔和黏膜相关区域的菌体数量也相对较多。这些结果表明，NCFM在盲肠和结肠环境中具有较为活跃的代谢状态，并可能具有更强的生长和复制能力。

除核心诱导基因中涉及的碳水化合物代谢途径外，部分PTS转运蛋白及相关代谢酶也出现明显诱导。这些基因可能参与益生元α-和β-葡萄糖苷的分解利用，以及植物化学物质的生物转化，其中包括LBA0227和LBA0726。此外，甘油摄取相关基因LBA1436的上调，提示NCFM能够利用膳食甘油三酯来源的甘油，并将其作为细胞膜生物合成的能量来源和前体。

值得注意的是，脂磷壁酸（lipoteichoic acid，LTA）生物合成相关基因LBA0445–0447在盲肠和结肠中特异性上调，提示LTA相关功能可能具有一定的肠道空间表达特征，并可能参与NCFM与宿主免疫系统之间的相互作用。

总结

本研究利用无菌小鼠模型对嗜酸乳杆菌NCFM的体内转录组进行了分析，从整体上揭示了NCFM进入肠道后的基因表达特征及其对不同肠道微环境的适应方式。从回肠到结肠，NCFM表现出一系列持续诱导的核心基因，这些基因主要涉及碳水化合物的合成与分解代谢、氨基酸和肽的利用、核苷酸生物合成以及细胞表面蛋白表达等过程。

其中，代谢相关基因的持续表达反映了NCFM在肠道环境中的营养获取和生长需求，而S层蛋白、黏液结合蛋白和其他表面蛋白的表达，则可能与其宿主黏附、肠道定殖及免疫调节能力有关。与此同时，不同肠道部位之间存在明显的空间表达差异，说明NCFM并不是以完全相同的生理状态通过整个肠道，而是能够根据局部环境变化调整自身的基因表达。上述结果为理解嗜酸乳杆菌的肠道适应机制以及其益生作用的分子基础提供了新的转录组学证据。

参考来源：Goh YJ, Barrangou R, Klaenhammer TR. In Vivo Transcriptome of Lactobacillus acidophilus and Colonization Impact on Murine Host Intestinal Gene Expression. mBio. 2021 Jan 26;12(1):e03399-20. doi: 10.1128/mBio.03399-20.