膳食抗氧化剂代谢互作增强肠道菌群无氧能量代谢的机制研究及其与结直肠癌的关联

研究人员针对肠道菌群如何利用膳食抗氧化剂ergothioneine(EGT)开展研究，发现Clostridium symbiosum通过ergothionase将EGT转化为thiourocanic acid(TUA)，后者被Bacteroides xylanisolvens还原为3-(2-thione-imidazol-4-yl)-propionic acid促进ATP合成。该代谢互作通路在人类粪便菌群中活跃，且ergothionase基因在结直肠癌患者粪便宏基因组中显著富集，为菌群-宿主代谢互作提供了新见解。

　　

在人体这个复杂的生态系统中，肠道微生物与宿主的共生关系一直是生命科学研究的焦点。其中，肠道细菌如何在缺氧环境下获取能量尤为关键。虽然微生物利用复杂碳水化合物进行无氧呼吸的机制已被广泛研究，但对于膳食中丰富的抗氧化剂营养物质（如ergothioneine, EGT）能否通过类似途径支持菌群能量代谢，科学界仍知之甚少。EGT作为一种蘑菇等食物富含的含硫抗氧化剂，虽已知能被哺乳动物细胞吸收并发挥抗氧化功能，但其在肠道菌群中的代谢命运及其对微生物互作的影响仍是未解之谜。

耶鲁大学分子、细胞与发育生物学系和微生物科学研究所的研究人员联合美国国立卫生研究院国家医学图书馆团队，在《Cell Host & Microbe》发表的研究揭示了这一科学问题。研究团队发现，人类肠道共生菌Clostridium symbiosum通过其编码的ergothionase将EGT分解为trimethylamine(TMA)和thiourocanic acid(TUA)，而后者被Bacteroides xylanisolvens进一步还原为3-(2-thione-imidazol-4-yl)-propionic acid，显著增强了细菌在无氧条件下的ATP合成和生长能力。这种跨菌门的代谢互作不仅存在于人工培养体系，在人类粪便菌群中也得到验证。更值得注意的是，ergothionase基因在结直肠癌患者的粪便宏基因组中显著富集，暗示这一通路可能与疾病风险相关。

研究主要采用四种关键技术方法：1) 基于隐马尔可夫模型(HMM)的ergothionase同源基因生物信息学筛查；2) 同位素标记(EGT-d9)结合LC-MS/MS的靶向和非靶向代谢组学分析；3) 人类粪便宏基因组测序与ergothionase基因丰度量化；4) 严格厌氧条件下细菌共培养与ATP合成测定。其中人类粪便样本来自24名健康捐赠者，结直肠癌队列数据整合自四个公开数据库。

研究结果

Clostridium symbiosum分解EGT产生TUA

通过蛋白序列比对发现C. symbiosum ATCC 14940编码的CLOSYM_01531与已知ergothionase TdETL活性位点完全保守。LC-MS/MS分析证实该菌能将EGT-d9转化为TMA-d9和TUA，异源表达实验进一步验证CLOSYM_01531足以催化这一反应。宏基因组分析显示ergothionase基因在厚壁菌门、芽孢杆菌纲和γ-变形菌中广泛分布。

TUA还原增强Bacteroides能量代谢

在特定供应商(Charles River)的小鼠粪便菌群中检测到TUA被还原为3-(2-thione-imidazol-4-yl)-propionic acid。人类肠道菌B. xylanisolvens DSM 18836被证实具有高效还原TUA的能力，该过程使细菌ATP产量增加4倍，且在无外源电子供体(甲酸钠)时仍能显著促进生长。RNA-seq分析表明TUA还原酶可能为组成型表达。

人类粪便菌群中的代谢互作

24份人类粪便样本中，75%显示EGT代谢活性且均伴随TMA产生。其中61%的活性样本检测到3-(2-thione-imidazol-4-yl)-propionic acid，时间梯度实验证实TUA作为中间产物短暂积累后被转化。ergothionase基因在EGT代谢阳性样本的宏基因组中显著富集。

与结直肠癌的潜在关联

对四个独立队列的分析显示，ergothionase基因在结直肠癌患者粪便中的检出率(28-61%)显著高于健康对照(15-27%)，提示微生物EGT代谢可能与疾病发生相关。

这项研究首次阐明膳食抗氧化剂EGT通过跨菌门代谢互作支持肠道微生物无氧能量代谢的完整通路。C. symbiosum将EGT转化为TUA的"上游"步骤与Bacteroides还原TUA的"下游"步骤形成代谢接力，拓展了我们对菌群利用膳食成分进行能量获取的认知。特别值得注意的是，ergothionase基因在结直肠癌患者中的富集现象，为理解肠道菌群代谢与疾病风险的关系提供了新视角。研究提出的TUA作为微生物无氧呼吸电子受体的新功能，不仅完善了微生物能量代谢理论，也为开发基于膳食-菌群互作的疾病干预策略奠定了分子基础。未来研究可进一步探索3-(2-thione-imidazol-4-yl)-propionic acid的代谢命运及其对宿主-菌群互作的具体影响。