岩藻糖基化I型母乳寡糖模块被婴儿双歧杆菌亚种高效摄取的分子机制及健康意义

本研究揭示了婴儿双歧杆菌亚种（B. infantis）通过特异性ABC转运系统高效摄取岩藻糖基化I型母乳寡糖（fucosylated type I HMOs）的分子机制。通过结构生物学和分子动力学模拟，阐明了其结合蛋白（BiGFL-BP）对乳糖-N-二糖（LNB）及其岩藻糖修饰形式（H1/Lea三糖）的高亲和力识别模式，并证实双转运系统协同作用对婴儿肠道菌群定植的关键意义，为婴幼儿配方奶粉的HMOs强化提供了新靶点。

　　

摘要

母乳寡糖（HMOs）作为母乳第三大成分，其岩藻糖基化I型结构模块（如乳糖-N-二糖LNB及其岩藻糖修饰形式）是塑造婴儿肠道双歧杆菌优势菌群的关键因子。婴儿双歧杆菌亚种（B. infantis）通过特异性ABC转运系统高效摄取这些模块，但其分子机制尚不明确。本研究聚焦于B. infantis的溶质结合蛋白BiGFL-BP（Blon_0883），揭示其通过独特的结合腔结构以相似亲和力识别LNB、半乳糖-N-二糖（GNB）及岩藻糖基化三糖（H1/Le^a），而双转运系统的协同作用进一步优化了摄取效率。

结构解析与分子识别

BiGFL-BP的晶体结构（分辨率1.4-2.7 ?）显示其采用典型SBP折叠，结合位点位于结构域界面。关键残基D210和Y208分别通过极性相互作用和芳香堆叠特异性识别LNB/GNB的半乳糖单元，而W290负责结合GlcNAc/GalNAc。岩藻糖基通过T101和T205的氢键网络锚定于蛋白表面新发现的次级空腔，该结构特征解释了其对α1,2-（H1）和α1,4-（Le^a）岩藻糖修饰的兼容性。分子动力学模拟进一步验证Le^a三糖通过构象1（GlcNAc-C4位岩藻糖朝向空腔）实现稳定结合，结合能计算与实验数据高度吻合。

进化与功能分化

系统发育分析表明，BiGFL-BP与阿拉伯木寡糖结合蛋白（BlAXBP）同属一个进化分支，而与传统LNB结合蛋白（GL-BP）结构差异显著（RMSD 3.4 ?）。这种分化反映在功能上：BiGFL-BP相关ABC转运体是Le^a三糖摄取的唯一高效路径，而GL-BP系统则主要参与非修饰LNB的摄取。基因敲除实验证实，双转运系统缺失导致LNB利用率降低67%，但GNB摄取未受显著影响，提示存在其他补偿机制。

生理意义与应用前景

岩藻糖基化LNB模块通过GH136家族酶（如Roseburia inulinivorans的胞外酶）从HMOs中释放，随后被B. infantis高效内化并代谢为免疫调节性芳香乳酸。这一通路不仅支持双歧杆菌的肠道定植优势，还可能通过代谢物影响宿主免疫发育。目前婴幼儿配方奶粉强化主要聚焦岩藻糖基乳糖（FL），而本研究提出岩藻糖基化LNB模块作为新型益生元候选物，可更精准模拟母乳的菌群选择压力。

方法学亮点

研究整合了等温滴定量热法（ITC）、表面等离子共振（SPR）和X射线晶体学等多学科技术，首次解析了岩藻糖基化HMO模块与转运蛋白的复合物结构。200 ns分子动力学轨迹分析揭示了配体动态结合特征，而基因敲除菌株的薄层色谱（TLC）分析直观展示了转运系统的底物偏好性。

（注：以上内容严格基于原文实验数据，未添加非文献支持结论）