益生菌Cetobacterium somerae通过精氨琥珀酸促进宿主尿循环缓解氨中毒的机制解析

氨中毒（AI）是水产养殖中的常见胁迫因子，可导致鱼类生长抑制和死亡。宁波大学与贵州大学联合团队通过补充益生菌Cetobacterium somerae ceto（CSC），发现其通过合成精氨琥珀酸（ARA）激活肠道和肝脏的尿循环（ureagenesis），显著降低黄颡鱼（Pelteobagrus fulvidraco）的氨积累。研究首次揭示CSC的asnA-ansA/B-argG基因簇驱动ARA合成，并通过抑制fumA-fumB-argH基因簇减少ARA降解。该机制为水产益生菌开发提供了新靶点，相关成果发表于《Microbiome》。

　　

论文解读

研究背景：氨中毒——水产养殖的隐形杀手

氨（NH₃）作为氨基酸代谢的副产物，是水生动物面临的主要环境毒素之一。在水质恶化条件下，氨浓度超过1.25 mg/L总氨氮（T-AN）即会抑制鱼类生长，达10 mg/L T-AN时可导致黄颡鱼大规模死亡。传统研究认为肝脏是氨解毒的核心器官，通过尿循环将毒性氨转化为尿素排出。然而，近年研究发现肠道微生物群在氨代谢中扮演关键角色——尤其是一种名为Cetobacterium somerae的厌氧益生菌，其在氨胁迫下丰度显著升高，但具体作用机制尚未明确。这促使研究者深入探索：C. somerae如何帮助宿主对抗氨中毒？其核心效应物是什么？

研究策略：多模型联动解析微生物-宿主互作

为揭示C. somerae的机制，宁波大学李明团队联合贵州大学研究人员开展系列实验：

1. 氨中毒模型：用125 mg/L T-AN（黄颡鱼半致死浓度LC₅₀）构建急性中毒模型，通过灌胃活菌/灭活CSC比较效果；

2. 伪无菌模型：采用万古霉素+甲硝唑+新霉素三联抗生素清除肠道菌群，评估CSC的独立作用；

3. 基因干预模型：通过RNA干扰（RNAi）敲低肝脏精氨琥珀酸裂解酶（ASL），结合外源ARA补充验证功能；

4. 多组学整合：结合三代16S rRNA测序、全基因组测序（PacBio+Illumina双平台）、代谢组学（LC-MS）和qPCR绝对定量分析菌群-代谢物网络。

核心发现：ARA——微生物赋能宿主解毒的关键钥匙

（一）CSC定植重塑氨代谢格局

通过急性氨中毒模型发现：

• AI导致肠道C. somerae丰度上升3.9倍，但不足以逆转氨积累（血清氨↑82%）；

• 口服活CSC使其定植量提升14.7倍，显著降低血清/肝脏/肠道氨水平（↓53%~67%），尿素合成↑2.1倍（图1C-H）；

• 热灭活CSC无此效果，证明活菌的代谢活性是解毒前提（图1B）。

（二）基因组解码CSC的ARA合成工厂

全基因组分析揭示CSC染色体含8个环状DNA单元（总长3.4 Mb），关键发现包括：

• 合成模块：asnA-ansA/B-argG基因簇驱动天冬氨酸（Asp）和天冬酰胺（Asn）转化为ARA；

• 保护模块：fumA-fumB-argH基因簇吸收环境富马酸/苹果酸，抑制ARA降解（图5, 6D）；

• 代谢组验证：CSC培养上清中ARA↑14.9倍，而底物Asp↓76%（图6C）。

（三）肠-肝轴协同激活尿循环

伪无菌模型证实：

• CSC定植后肠道ARA↑8.3倍，尿素↑3.2倍（图8A）；

• 肝脏中ARA↑5.6倍，伴随ASS（精氨琥珀酸合成酶）、ASL、ARG（精氨酸酶）表达上调（图7I-L）；

• 关键基因ass/asl/arg表达量提升2.5-4.1倍（P<0.01），表明ARA激活肠肝双器官尿循环。

（四）ARA直接驱动解毒通路

通过RNAi-ARA交叉实验证明：

• ASL敲低（shASL）使肝脏ARG蛋白↓62%，完全抵消ARA的降氨作用（图9K-N）；

• 外源ARA使中毒鱼血清氨↓58%，但联合shASL干预时氨水平反弹↑81%（图9B-C）；

• 证实ARA需通过ASL转化为精氨酸（Arg）才能激活下游尿素合成。

结论与意义：微生物赋能解毒的新范式

本研究首次阐明：Cetobacterium somerae ceto（CSC）通过合成精氨琥珀酸（ARA）充当“微生物效应物”，激活宿主肠-肝双器官尿循环，将毒性氨转化为尿素。其核心机制依赖asnA-ansA/B-argG基因簇的ARA合成能力及fumA-fumB-argH的代谢保护作用（图8C）。该发现突破传统“肝脏中心论”，揭示肠道菌群可通过提供关键代谢中间体远程调控系统解毒通路，为水产益生菌开发提供新思路——通过定向补充ARA合成菌或代谢产物，有望缓解集约化养殖中的氨中毒危机。未来研究将聚焦ARA的肠肝转运机制及CSC规模化应用工艺，推动绿色水产养殖发展。

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注：专业术语缩写首次出现时标注全称（如精氨琥珀酸裂解酶ASL），上下标严格遵循原文格式（如T-AN、LC₅₀），统计显著性标注P<0.05/P<0.01。*