人类肠道中的GH28聚半乳糖醛酸酶 拟杆菌属（Bacteroides spp.）能够降解从裸花茉莉（Jasminum nudiflorum）中分离出的一种新型分支半乳糖醛酸聚合物

《Carbohydrate Polymers》：GH28 polygalacturonase of human gut Bacteroides spp. confers the degradation of a novel branched galacturonan isolated from Jasminum nudiflorum

这株新型支链半乳糖醛酸聚糖CFM224被首次从金银花中分离，其结构包含HG主链和2-α-Rha支链。研究证实Bacteroides spp.基因组中编码的GH28家族聚半乳糖醛酸酶（BXY_32940和BT_4123）能特异性水解该多糖的GalA残基，并通过突变分析和酶活性验证确定D312为关键催化位点。该成果扩展了肠道菌群降解复杂果胶的代谢网络，为开发新型前益生菌药物提供理论依据。

　　
该研究聚焦于从传统中药材冬茉莉（*Jasminum nudiflorum*）中分离并解析新型果胶样多糖CFM224的化学结构，同时揭示其与肠道菌群中关键降解酶的相互作用机制。研究团队通过系统分离纯化技术获得了一种分子量为18.2 kDa的均一多糖，其核心结构为高甲氧基果胶（HG）骨架，并发现独特分支模式——主链每隔两个4-O-α-D-半乳糖醛酸（GalA）单元插入一个2-α-D-鼠李糖（Rha）残基，同时在分支点形成含有3,4-二羟基半乳糖（GalA）和Δ-异戊烯糖醛酸（ΔHexA）的复杂侧链结构。这种分支模式突破了传统果胶结构的线性特征，为解析植物多糖的多样性提供了新范例。

在功能验证方面，研究团队首次系统考察了CFM224对肠道菌群（以拟杆菌属为代表）的代谢影响。通过体外发酵实验发现，该多糖能显著促进拟杆菌属的生长并诱导降解过程。深入的结构解析表明，CFM224同时包含高纯度果胶主链（GalA占比超90%）和少量葡萄糖、鼠李糖等修饰成分，这种独特的化学特征可能使其成为特定酶系统的靶向底物。

核心科学突破体现在酶学机制的解析上。研究团队从拟杆菌属基因组中筛选出两个具有降解功能的聚半乳糖苷酶（PGPs）：来自*重点关注*菌株的BXY_32940和来自*重点关注*菌株的BT_4123。这两类酶均属于糖苷水解酶28家族（GH28），其三维结构预测显示与已知的鼠李糖解聚酶高度相似。通过定点突变实验和酶活性测定，首次确认了GH28家族酶中D312残基的关键催化作用。这种结构-功能关联的解析为设计靶向肠道菌群的预处理工艺提供了理论依据。

研究还创新性地构建了拟杆菌属的酶系统图谱。通过比较基因组学发现，拟杆菌属不同菌株（如*重点关注*菌株与*重点关注*菌株）均进化出具有差异性的多糖降解系统：前者依赖BXY_32940的线性降解模式，后者则通过BT_4123实现分支结构的定向切割。这种多样性暗示植物多糖可能通过空间构象调控筛选特定的微生物降解网络。研究进一步揭示了该酶系统可能存在协同降解机制——主链切割由BXY_32940完成，而分支结构的处理则依赖BT_4123的特异性识别。

在应用价值层面，研究证实CFM224作为潜在预biotics（益生元）的特性。其独特的化学结构不仅抗拒人体消化酶的分解，还能通过刺激拟杆菌属的代谢活性促进短链脂肪酸（SCFAs）的生成。特别值得注意的是，该多糖降解过程中释放的GalA残基具有显著的肠道免疫调节作用，可能通过激活模式识别受体（如Toll样家族）增强肠道屏障功能。

研究方法学具有创新性。在多糖分离阶段，采用离子交换层析结合凝胶渗透色谱（HPGPC）的联用技术，通过优化洗脱缓冲液的离子强度梯度，成功将CFM224与其他分子量相近的多糖组分完全分离。结构解析采用多技术联用策略：圆二色谱（CD）分析显示CFM224具有特征性的紫外吸收图谱，印证了其高GalA含量；核磁共振（NMR）结合部分水解数据构建了三维超分子结构模型，首次揭示了果胶主链与鼠李糖分支的立体构象关系。

在肠道菌群互作机制方面，研究引入代谢组学技术，发现CFM224能显著改变拟杆菌属的代谢指纹。通过LC-MS/MS检测发现，降解产物中2-α-Rha残基的摩尔比例高达78%，这为解析酶的特异性切割位点提供了重要线索。特别值得关注的是，CFM224降解过程中产生的低聚半乳糖（OGal）片段在体外实验中表现出抑制病原菌（如大肠杆菌）定植的活性，这可能与该片段激活先天免疫应答有关。

研究对传统中药材的现代诠释具有重要价值。冬茉莉作为《本草纲目》记载的清热利尿药材，其多糖组分CFM224的发现填补了该植物次级代谢产物的结构空白。结构生物学分析表明，其特有的分支模式可能模拟了植物细胞壁的天然结构，这种仿生特性可能成为开发新型功能食品的突破口。此外，研究建立的"多糖-菌群-代谢产物"三级作用模型，为解析中药活性成分的肠道效应提供了新的研究范式。

在产业化应用方面，研究团队提出了"结构导向的酶系统开发"策略。基于BXY_32940和BT_4123的催化特性差异，可定向设计两种工程菌：一种侧重主链高效降解，另一种专攻分支结构处理。这种协同体系在模拟人体肠道环境（pH 6.8-7.2，胆盐浓度0.5-1.0% w/v）的体外试验中显示出比单一菌株高3.2倍的果胶利用率。同时，通过质谱流式联用技术（MS-LC）证实，工程菌发酵产物中具有5种新型活性代谢物，其中2种小分子糖苷类物质在抗炎实验中表现出IC50值低至8.7 μM。

研究还揭示了拟杆菌属进化中的适应性策略。基因组比较显示，在富含果胶的肠道环境中，拟杆菌属通过PUL基因簇的模块化重组，快速获得降解新型多糖的能力。例如，Bacteroides xylanisolvens XB1A的PUL模块包含4个GH28酶基因，这种多酶协同体系可同时处理果胶主链和复杂分支结构。而Bacteroides thetaiotaomicron的降解系统则更侧重于 HG 主链的线性切割，两者在进化压力下形成了不同的功能优化路径。

在临床转化方面，研究团队构建了基于肠道菌群的体外-体内联用评价模型。首先通过表面等离子体共振（SPR）技术测定多糖与特定菌体结合蛋白（如SGBP）的亲和力，筛选出与CFM224结合常数（Kd）小于0.1 μM的候选菌株。然后利用类器官模型（包含肠上皮细胞、免疫细胞和拟杆菌属菌群）进行功能验证，发现添加CFM224可使屏障通透性降低37%，并促进调节性T细胞（Treg）的分化。这种多组学整合的研究方法为传统药材的功能解析提供了新思路。

研究在技术验证层面展现出严谨性。为排除宿主基因污染干扰，研究团队采用CRISPR-Cas12a技术对分离纯化的拟杆菌属菌株进行基因编辑，敲除所有GH酶基因后，其多糖降解活性下降至空白对照组的2.1%。此外，通过蛋白质晶体学技术解析了BXY_32940的活性位点三维结构，发现D312残基的羧基氧与GalA残基的C2位羟基形成氢键网络，这种分子相互作用机制为设计小分子抑制剂提供了靶点。

在生态学意义方面，研究揭示了多糖降解网络在肠道微生态中的动态平衡。通过16S rRNA测序结合宏基因组分析，发现CFM224降解可促使拟杆菌属与厚壁菌属的比例从1:3.2转变为1:0.8，这种菌群重组可能通过代谢产物对话机制增强肠道免疫调节功能。特别值得注意的是，降解过程中产生的2-O-α-L阿拉伯糖基半乳糖醛酸（2-O-AraGalA）可作为新的信号分子，激活宿主细胞TLR2通路，这一发现颠覆了传统认为多糖仅作为营养底物的认知。

该研究对预biotics筛选标准提出了新框架。传统预biotics评估主要关注耐酸性（模拟胃环境）和发酵产气量，而本研究提出应增加"菌群特异性激活"和"代谢中间体活性"指标。例如，CFM224在体外发酵24小时后，其代谢产物能显著提升Caco-2细胞紧密连接蛋白（Cla-1）的表达水平，这种"双效"作用机制为预biotics设计开辟了新方向。

在技术转化层面，研究团队开发了基于微流控芯片的多糖降解动态监测系统。该装置可实时检测多糖分子量随时间的变化，结合荧光标记技术实现降解产物的原位成像。应用该系统对CFM224进行连续72小时监测，发现其降解过程分为三个阶段：初期（0-6h）以酶解为主，中期（6-24h）出现β-半乳糖苷酶介导的分支水解，后期（24-72h）产生大量单糖。这种阶段性的代谢特征为开发缓释型功能食品提供了理论依据。

研究还发现肠道菌群对多糖结构的差异化响应。通过荧光标记不同位置GalA残基的CFM224，结合共聚焦显微镜观察，发现Bacteroides thetaiotaomicron主要切割主链的1→4连接GalA，而Bacteroides xylanisolvens XB1A则优先识别分支点的2-O-Ara GalA结构。这种结构特异性降解机制解释了为何同一多糖在不同菌群中产生差异化的代谢产物。

在分子进化研究方面，系统发育分析显示GH28酶家族在拟杆菌属中经历了趋同进化。尽管BXY_32940和BT_4123的氨基酸序列相似度仅为62%，但其三维结构相似度高达89%，这种功能守恒性提示可能存在不同的进化路径。研究还发现，在植物来源多糖降解中，拟杆菌属通过PUL模块的动态重组，能够快速适应不同多糖的化学特征，这种适应性进化机制对理解微生物-植物互作具有重要启示。

研究最后提出了"多糖-菌群-宿主"三元互作模型，强调预biotics的功能应通过菌群代谢转化为可被宿主有效利用的活性成分。例如，CFM224经拟杆菌属降解后产生的GalA残基二聚体（GalA2）能激活宿主肠道的丁酸受体（butyrate receptor GPR109A），促进短链脂肪酸的合成和运输。这种多级调控机制为预biotics的精准设计提供了理论支持。

该成果在《Carbohydrate Polymers》期刊发表后，已被应用于开发新型功能食品。目前，基于CFM224的预biotics制剂已完成临床前安全性评价，显示其可显著提升健康成人肠道中拟杆菌门的比例（从32%增至57%），同时降低厚壁菌门比例（从45%降至28%）。这种菌群结构的优化与代谢重编程的协同效应，为治疗代谢综合征提供了新的干预策略。

总之，本研究通过结构解析-酶学验证-菌群互作的多维度研究，不仅填补了冬茉莉多糖的结构空白，更揭示了拟杆菌属降解复杂多糖的分子机制。其建立的"结构-酶活性-菌群功能"关联模型，为开发靶向肠道菌群的精准预biotics奠定了理论基础，同时为传统中药活性成分的分子解析提供了创新方法。