乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）和嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）与宿主的相互作用有助于它们适应人体肠道微生物群环境

《Applied and Environmental Microbiology》：Host interactions of Lactococcus lactis and Streptococcus thermophilus support their adaptation to the human gut microbiota

乳酸菌（Lactococcus lactis PRL2024和Streptococcus thermophilus PRL2025）在健康成人肠道中的分布、代谢能力及与宿主及共生菌的互作研究。通过10,000例肠道元基因组测序和体外实验，发现S. thermophilus PRL2025更易定植（ prevalence >85%），与产丁酸菌（如Anaerobutyricum hallii）存在共生关系，其高乳酸酸产量可能促进肠道菌群平衡。L. lactis PRL2024代谢效率更高，完全利用乳糖和半乳糖，且对宿主上皮细胞（HT29-MTX）粘附能力显著强于其他菌株。基因组分析显示两者均携带抗菌肽基因簇，可能通过产酸和抗菌物质抑制竞争菌。研究证实发酵食品相关乳酸菌具有肠道适应性和潜在益生菌开发价值。

　　乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）是人类肠道微生物群的重要组成部分，它们在维持宿主健康方面发挥着关键作用。LAB通过发酵碳水化合物产生乳酸，这种代谢产物不仅有助于调节肠道微生物群落的组成和功能，还能促进肠道稳态的建立。然而，尽管LAB在健康和疾病预防中具有重要意义，它们如何与宿主和其他肠道共生菌进行相互作用仍然缺乏深入的了解。这项研究通过分析10,000名健康成年人的肠道微生物群数据，揭示了两种常见的乳酸菌参考菌株——乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）PRL2024和嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）PRL2025，并进一步探讨了它们在肠道中的生态适应性和代谢能力。研究结果不仅加深了对这些食品来源乳酸菌在肠道中作用的认识，还为开发靶向肠道微生物群的营养补充剂提供了新的思路。

在研究中，通过对人类肠道微生物群的宏基因组分析，发现嗜热链球菌和乳酸乳球菌是食品来源的乳酸菌中最常见的两种。具体而言，嗜热链球菌在肠道中的存在率达到了16.3%，而乳酸乳球菌的出现频率为4.6%。此外，研究还揭示了其他几种乳酸菌的分布情况，包括肠球菌（Enterococcus faecium）、魏斯氏菌（Weissella cibaria）以及乳杆菌属（Lactobacillus）中的几种菌株。这些菌株的出现频率介于2.5%至1.0%之间。值得注意的是，除了食品来源的乳酸菌，研究还发现了三种非食品来源的乳杆菌，其在肠道中的存在率分别为6.5%、5.2%和1.6%。这些数据与之前的大规模肠道宏基因组筛选结果相吻合，说明嗜热链球菌和乳酸乳球菌在人类肠道中具有较高的代表性。

进一步的生物信息学分析表明，嗜热链球菌和乳酸乳球菌的菌株在人体肠道中具有较强的生态适应能力。其中，嗜热链球菌PRL2025能够在7名受试者的肠道微生物群中稳定定植，其存在率超过85%。相比之下，乳酸乳球菌PRL2024仅在4名受试者中表现出稳定的存在。这一发现支持了食品微生物可以通过食物摄入进行水平传播的假设，即这些乳酸菌能够在肠道中定植并与其他微生物建立复杂的相互作用。这一过程可能受到年龄、生活方式和地理环境等因素的影响。

为了进一步验证这些菌株的生态适应性，研究者从人体粪便样本和多种食品基质中分离出这两种乳酸菌菌株。其中包括各种奶酪、加工肉类和发酵蔬菜。通过对这些菌株的全基因组测序，研究人员获得了它们的基因组信息，并利用一种称为Local Alternative Optimal Representative Strain (LAORS)的生物信息学流程，筛选出最具代表性的参考菌株。最终，乳酸乳球菌PRL2024和嗜热链球菌PRL2025被选为研究对象，用于后续的体外实验。这些菌株的基因组信息不仅有助于理解它们的代谢特性，还能揭示其在肠道中的生态功能。

研究发现，乳酸乳球菌PRL2024和嗜热链球菌PRL2025在碳水化合物代谢方面表现出显著差异。嗜热链球菌PRL2025能够利用多种碳源，其基因组中包含39个预测的糖苷水解酶（Glycoside Hydrolases, GHs）基因，涉及19个不同的GH家族。相比之下，乳酸乳球菌PRL2024的基因组中包含更多与乳糖代谢相关的基因。体外实验表明，这两种菌株在不同的碳源上表现出不同的生长性能。嗜热链球菌PRL2025在14种常见肠道碳水化合物上均能良好生长，而乳酸乳球菌PRL2024则在20种碳水化合物上表现出较强的生长能力。然而，嗜热链球菌PRL2025在乳糖代谢过程中表现出较高的乳酸产量，但其对半乳糖的代谢效率较低，这可能与其在代谢过程中产生的乳酸影响了其自身的生长有关。相反，乳酸乳球菌PRL2024能够更高效地利用半乳糖，同时产生较少的乳酸，这使其在与嗜热链球菌PRL2025共同培养时，能够调节乳酸的积累，从而维持肠道环境的平衡。

此外，研究还探讨了这两种菌株与肠道其他微生物之间的相互作用。通过协方差分析，研究人员发现嗜热链球菌与产丁酸菌如Anaerostipes hadrus和Anaerobutyricum hallii之间存在显著的正相关性。这些菌株通常被认为是肠道中的有益菌，它们的代谢产物丁酸具有抗炎和维持肠道屏障功能的作用。嗜热链球菌与这些丁酸生成菌的相互作用可能促进了肠道微生态的稳定。而乳酸乳球菌则主要与肠球菌、魏斯氏菌、嗜热链球菌、Blautia obeum和Dorea formicigenerans等微生物共存。这些微生物虽然不具有丁酸生成能力，但它们在肠道中可能与乳酸乳球菌形成互利关系，从而支持其在肠道中的定植和功能发挥。

为了进一步了解这些菌株的抗菌特性，研究还对它们的细菌素编码基因进行了分析。乳酸乳球菌PRL2024被预测含有两个细菌素基因（lactococcin-B），以及与细菌素修饰和分泌相关的基因。嗜热链球菌PRL2025则被预测含有三个细菌素IIc类基因，以及相关的修饰和分泌蛋白。这些发现表明，这两种菌株可能通过产生抗菌肽来抑制竞争性微生物的生长，从而增强其在肠道中的生态适应性。这种机制可能有助于它们在肠道中维持较高的存在率，并与肠道内的其他微生物形成复杂的生态网络。

在评估这两种菌株的肠道适应性时，研究者还考察了它们对不同环境压力的耐受能力。体外实验表明，乳酸乳球菌PRL2024和嗜热链球菌PRL2025均能有效耐受高盐度（2%、6%、10% NaCl）、胆盐（0.5%、1%、2%）和酸性环境（pH 2.0、3.0、4.0）。在酸性条件下，这两种菌株的存活率均较高，其中嗜热链球菌PRL2025在pH 3.0下的存活率达到了92%，而乳酸乳球菌PRL2024在相同条件下的存活率为86%。相比之下，已知的益生菌如双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）PRL2010在这些条件下的存活率显著较低，表明嗜热链球菌和乳酸乳球菌在肠道中具有更强的生存能力。

为了评估这两种菌株与人类肠道上皮细胞的相互作用，研究者使用了Caco-2/HT29-MTX细胞模型。这些细胞模型被广泛用于研究肠道微生物与宿主细胞之间的相互作用。实验结果显示，嗜热链球菌PRL2025和乳酸乳球菌PRL2024均能够有效附着在HT29-MTX细胞上。其中，乳酸乳球菌PRL2024的附着指数显著高于嗜热链球菌PRL2025。这一发现可能与乳酸乳球菌的基因组中存在某些促进附着的基因有关，而嗜热链球菌则可能通过其EPS（胞外多糖）的合成能力增强附着能力。通过转录组分析，研究人员还发现这两种菌株在与宿主细胞相互作用时，其基因表达发生了显著变化。嗜热链球菌PRL2025在与宿主细胞接触时，其基因组中某些与细胞壁合成和EPS相关的基因被显著上调，这可能反映了其在附着和适应宿主环境方面的策略。而乳酸乳球菌PRL2024则表现出更强的代谢适应性，其基因组中某些与氨基酸代谢和蛋白质稳态相关的基因被显著上调，这可能与其在肠道中的生存和功能发挥有关。

综上所述，这项研究揭示了嗜热链球菌PRL2025和乳酸乳球菌PRL2024在人类肠道中的生态适应性和代谢能力。它们不仅能够有效利用多种碳源，还能通过抗菌肽的产生抑制竞争性微生物的生长，从而增强其在肠道中的生存能力。此外，它们在与宿主细胞的相互作用中表现出不同的适应策略，嗜热链球菌更倾向于通过EPS的合成增强附着能力，而乳酸乳球菌则表现出更强的代谢能力和对肠道环境的适应性。这些发现不仅加深了对乳酸菌在肠道中作用的理解，还为开发基于这些菌株的功能性食品提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索这些菌株在人体内的实际效果，以及它们如何影响肠道微生物群落的组成和功能。