人类微生物组中草酸代谢功能稀缺性及其与肾结石疾病的关联研究

《BMC Genomics》：Prevalence of oxalotrophy in the human microbiome

本研究针对草酸代谢异常导致肾结石等疾病的问题，系统开展了人类微生物组中草酸营养功能（oxalotrophy）的基因组学研究。通过构建特异性保守模型筛查frc、oxc、oxlT三个关键基因，发现草酸营养功能在肠道微生物中罕见（仅0.19%），且存在水平基因转移现象。该研究为微生物干预治疗草酸相关疾病提供了新的理论依据，发表于《BMC Genomics》。

　　

当我们享用菠菜、坚果等富含草酸的食物时，可能不会想到这些化合物在体内的去路竟与肠道微生物息息相关。草酸是植物中普遍存在的二次代谢产物，在人体内却可能成为"健康杀手"——当草酸代谢失衡时，过量的草酸会与钙离子结合形成不溶性晶体，成为肾结石的主要成分。据统计，约80%的肾结石由草酸钙构成，这不仅给患者带来剧烈疼痛，还可能导致肾功能损伤。

令人惊讶的是，人类自身并不具备降解草酸的代谢途径，这一重任主要落在肠道微生物肩上。其中，草酸营养功能（oxalotrophy）——即微生物利用草酸作为能量来源的能力——被认为是最有效的草酸清除机制。然而，这种功能在人类微生物组中的分布情况和作用机制一直是个谜团。传统研究多依赖16S rRNA基因测序，无法准确识别功能基因；而现有数据库中的基因模型又存在特异性不足的问题，导致研究结果相互矛盾。

为了解决这一难题，Thomas Junier团队在《BMC Genomics》上发表了开创性研究。他们首次系统性地构建了草酸营养三个关键基因（frc、oxc、oxlT）的特异性保守模型，并对人类消化道、口腔和肺部微生物组的5,198个基因组和宏基因组组装基因组（MAGs）进行了全面筛查。

研究团队采用了几项关键技术：首先从人类肠道微生物组目录（4,728个MAGs）、口腔微生物组（452个MAGs）和肺部微生物组（18个基因组）获取原始数据；其次利用Prokka进行统一基因预测和注释，确保数据一致性；然后开发并验证了针对Frc、Oxc和OxlT蛋白的特异性谱模型；最后通过系统发育分析和基因邻域比较等方法探究基因进化关系。特别值得一提的是，研究还设立了包含6个已知草酸营养菌的阳性对照组，确保检测方法的可靠性。

研究结果揭示了草酸营养功能在人类微生物组中的真实分布图景：

基因模型构建与验证

研究人员发现公共数据库（如InterPro）中现有模型无法准确识别草酸营养基因。例如，唯一能100%区分阳性和阴性对照的模型PTHR43710:SF2实际靶向的是2-羟基酰基-CoA裂解酶，而非草酰-CoA脱羧酶。因此，团队开发了新的蛋白谱模型，设定特异性阈值（Frc:130.0，Oxc:100.0，OxlT:60.0），并通过系统发育分析验证了这些模型能准确区分目标基因与其近缘同源物。

草酸营养功能分布

在5,198个基因组/MAGs中，仅10个（0.19%）同时含有frc、oxc和oxlT三个基因，这些潜在草酸营养菌全部来自肠道数据集。而含有frc和oxc（但不含oxlT）的菌株有125个（2.5%），分布范围更广，包括放线菌门、拟杆菌门等多个门类。值得注意的是，所有潜在草酸营养菌中，Oxalobacter属菌株占主导地位，这与该属作为典型草酸营养菌的地位相符。

基因组织结构特征

frc和oxc基因在基因组中几乎总是相邻存在，最大间隔不超过14个基因，且通常转录方向相同，提示它们可能形成操纵子。这种保守的组织结构跨越了厚壁菌门和变形菌门等远缘门类，表明存在强大的选择压力。在含有oxlT的菌株中，该基因通常也与frc和oxc相邻，但专性草酸营养菌Oxalobacter formigenes是个例外——其草酸营养基因分散在基因组不同位置，可能与它们需要组成型表达有关。

水平基因转移证据

系统发育分析发现了一个有趣现象：厚壁菌门Ammoniphilus oxalaticus的草酸营养基因与变形菌门Oxalobacter属的基因亲缘关系更近，而非其他厚壁菌。基因顺序分析进一步支持了这一发现——A. oxalaticus的frc-oxc基因顺序与部分变形菌相同，而与其他厚壁菌迥异。通过遗传算法优化分析，研究人员还发现Frc、Oxc和OxlT系统发育树之间共享5-7个二分体，而随机化处理后的树之间共享二分体数为零，表明这三个基因存在协同进化，进一步支持了水平基因转移的可能性。

草酸代谢功能分化

研究指出，含有frc和oxc但缺乏oxlT的菌株可能通过其他途径代谢草酸，如草酸降解III途径（将草酰-CoA转化为乙醛酸）或酸耐受反应。此外，Frc酶除作用于草酸外，还能催化琥珀酸与甲酰-CoA的转移反应，提示其可能具有更广泛的底物特异性。

本研究通过精准的基因功能注释和系统发育分析，揭示了草酸营养功能在人类微生物组中的稀缺性和特异性分布。这一发现对理解草酸相关疾病（如肾结石）的发病机制具有重要意义——肠道中草酸营养菌的缺失可能导致草酸吸收增加，进而促进肾结石形成。研究还提示，针对草酸营养菌的益生菌干预或工程菌治疗可能成为预防和治疗草酸代谢疾病的新策略。此外，建立的特异性基因模型为未来微生物功能研究提供了可靠工具，将推动微生物组研究从物种描述向功能解析的深度转变。

该研究的创新之处在于突破了传统分类学标记的局限，直接从功能基因角度解析微生物的代谢能力，为理解微生物-宿主互作提供了新视角。随着微生物组研究的不断深入，这种功能导向的研究策略将有助于揭示微生物在人类健康和疾病中的关键作用，为精准医疗开辟新的可能性。