综述：植物多糖结构、肠道微生物群代谢与宿主健康之间的相互作用：机制与展望

《Life Sciences》：The interplay of plant polysaccharide structure, gut microbiota metabolism, and host health: Mechanisms and perspectives

植物多糖通过调控肠道菌群代谢影响宿主健康，重点分析其单糖组成与糖苷键类型对菌群结构（如Bacteroidetes和Firmicutes）及关键酶（GH、PL）活性作用，揭示短链脂肪酸等代谢产物介导的肥胖、糖尿病等疾病干预机制，提出基于多组学技术的精准营养开发框架。

　　

Juanhong Zhang|Yantao Ma|Rong Chang|Rong Wang|Junmin Zhang

中国兰州西北师范大学生命科学学院，730070

摘要

植物多糖作为天然生物分子，具有调节肠道微生物群结构和功能的能力，从而影响宿主健康。然而，它们之间相互作用的分子机制仍不够明确。本文系统综述了植物多糖的化学结构（包括单糖组成和糖苷键类型）对肠道微生物群代谢偏好的影响。文章强调了多糖结构变化如何促进特定肠道微生物群（如拟杆菌门和厚壁菌门）的增殖。此外，研究还分析了关键的酶系统（如糖苷水解酶和多糖裂解酶）以及与短链脂肪酸（SCFAs）生成相关的代谢途径，这些途径有助于肠道微生物群降解植物多糖。进一步探讨了这些代谢产物对肥胖、糖尿病、炎症性肠病（IBD）和非酒精性脂肪肝病等状况的影响。研究结果为通过靶向提取和表征技术提高生物活性多糖成分的利用效率提供了坚实的理论基础，从而为创新营养配方和药理应用的发展带来潜在进展。

引言

植物多糖是由十个以上单糖单元组成的复杂碳水化合物聚合物，在各种生物体中既具有结构作用也具有功能作用[1]，[2]。葡萄糖是主要构建块，而果糖、半乳糖和甘露糖等其他单糖则增加了这些大分子的结构多样性[2]。植物多糖与宿主糖胺聚糖受体之间的相互作用主要通过β-糖苷键介导，这种键赋予了受体识别所需的具体结构构象。值得注意的是，具有O-3或O-6位点侧链的分支结构已被证明可以通过增强受体结合亲和力、刺激树突状细胞成熟和激活与肿瘤监测相关的下游信号通路来显著增强抗肿瘤潜力[3]。最近的研究还表明，通过α-糖苷键连接的变体也表现出显著的抗肿瘤特性[4]，[5]。除了在肿瘤学中的作用外，植物多糖还表现出广泛的生物活性，包括免疫调节[6]，[7]，[8]、降血糖和降脂效果[9]，[10]、抗菌作用[11]以及肝脏保护[12]（图1A）。值得注意的是，这些药理活性与肠道微生物群的调节密切相关，这种关系由多种分子机制控制。

肠道微生物群是一个复杂的胃肠道生态系统，由大约100万亿个细菌组成，涵盖1000多种物种，其中超过400种具有肠道特异性[13]，[14]（图1B）。共生菌属如双歧杆菌和乳酸杆菌通过其代谢活动在维持肠道稳态中起着关键作用[15]。相比之下，像大肠杆菌和肠球菌这样的兼性厌氧菌在菌群失调状态下可能具有致病性[16]。

这个微生物群通过三种主要机制与宿主相互作用[16]：通过酶促分解膳食底物来提高营养物质的生物利用度；通过激活模式识别受体和淋巴细胞分化来调节免疫；以及通过维持黏膜屏障来排除病原体并产生抗肿瘤代谢产物。值得注意的是，肠道微生物群在将植物多糖水解为可利用的营养物质和药理活性代谢产物方面起着关键作用，同时通过选择性富集共生菌和抑制病原体来保持微生物平衡。

尽管取得了显著进展，但仍存在关键的知识空白：决定治疗效力的具体多糖结构尚未被阐明，多糖与微生物群之间相互作用的机制也尚未得到充分解释[20]，[21]。本综述系统地识别了对多糖有反应的功能性细菌菌株，分析了与单糖组成和糖苷键相关的结构-活性关系，阐明了酶过程（包括糖苷水解酶和多糖裂解酶），并概述了促进多糖降解的代谢途径。此外，我们评估了代谢产物对肥胖、糖尿病、IBD和非酒精性脂肪肝病等代谢和炎症性疾病的影响。通过综合这些分子机制，我们旨在为基于多糖的营养保健品和药物的开发提供框架，指导治疗性饮食的合理设计，并阐明多糖与临床结果之间的结构关联，为后续通过严格的因果研究设计验证潜在的因果关系奠定基础。

文献搜索策略

文献搜索策略

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植物多糖的结构特征及其对肠道微生物群的靶向调控

植物多糖的结构异质性，包括糖苷键、分子量和侧链修饰，是其对肠道微生物群选择性调控作用的基本决定因素。本章重点讨论了植物多糖的不同结构特征与肠道微生物群之间的具体相互作用，阐明了这些结构因素如何介导特定细菌类群的招募和微生物酶的激活。

肠道微生物群介导的植物多糖代谢和降解机制

肠道微生物群通过分泌特定酶来降解植物多糖。多糖的利用率取决于存在的代谢酶的类型和数量。然而，植物多糖组成的差异以及肠道微生物群的机制差异导致肠道微生物降解这些多糖的方式也有所不同[47]。肠道微生物群中的多糖代谢由CAZymes促进。例如多糖裂解酶等CAZymes。

植物多糖与肠道微生物群的信号转导和免疫代谢效应

植物多糖与肠道微生物群之间的相互作用通过复杂的分子信号转导途径对宿主的免疫代谢稳态产生深远影响。本文重点探讨了植物多糖在维持肠道微生物群平衡方面的益生元效应，探索了宿主、微生物群和多糖之间的相互作用机制，并解析了由微生物代谢产物-宿主受体介导的信号转导过程和免疫代谢调节效应。

植物多糖-肠道微生物群轴在宿主疾病调节中的作用

植物多糖-肠道微生物群轴已成为多种宿主疾病的关键调控靶点，其调节作用涉及肠道稳态、免疫反应和代谢平衡。本文总结了多糖-微生物群轴在胃肠道疾病、代谢紊乱和免疫相关疾病中的调节作用，阐明了潜在的分子机制，并为基于植物多糖的产品开发提供了理论支持。

肠道微生物群驱动的活性植物多糖成分的开发与利用

肠道微生物群不仅介导植物多糖的生物活性，还为活性成分的开发和利用提供了重要指导。本章重点讨论了肠道微生物群特征如何影响植物多糖的生物利用度、生物活性和代谢转化，探讨了基于肠道微生物调节优化植物多糖活性成分开发和应用的策略。

植物多糖-肠道微生物群轴介导的药物代谢调节

肠道微生物群常被称为人体的“第二基因组”，不仅在宿主代谢中起着关键作用，还通过直接代谢和多途径间接调节影响药物的反应、生物利用度、分布和消除速率。

多组学技术用于精准调节植物多糖-宿主健康相互作用

结构多样的植物多糖对肠道微生物群和宿主健康具有独特的调节作用，这与个体间肠道微生物群的差异密切相关[238]。多组学技术的快速发展有助于揭示植物多糖、肠道微生物群和宿主健康之间的复杂相互作用，为精准营养和个性化肠道微生物群调节奠定了基础，以靶向上述轴并增强多糖的作用。

结论与展望

肠道微生物群和膳食中的植物多糖形成了一个动态的互惠共生关系，其特征是相互依赖的代谢。肠道微生物群通过酶促作用降解复杂的植物多糖以获取必需的能量底物和生物合成前体。这些不可消化的碳水化合物同时作为益生元，选择性地调节微生物组成和功能动态，从而维持胃肠道稳态。

缩写

ABC转运蛋白
ATP结合盒转运蛋白
AC
腺苷酸环化酶
乙酰辅酶A
ADME
吸收、分布、代谢和排泄
AhR
芳烃受体
AMPs抗菌肽
ARC
弓形核
ARNT
芳烃受体核转运蛋白
ATP三磷酸腺苷
BALB/cBALB/cAnN血脑屏障
C57BL/6C57黑6Caco-2结直肠腺癌2cAMP环腺苷单磷酸CAZymes碳水化合物活性酶CBM纤维素结合模块CCR碳

CRediT作者贡献声明

Juanhong Zhang：撰写——初稿，监督，项目管理，方法学，研究，资金获取，概念化。Yantao Ma：撰写——初稿，方法学，研究，数据管理。Rong Chang：撰写——初稿，资源管理，方法学，研究，正式分析，数据管理。Rong Wang：撰写——审稿与编辑，监督，软件使用，资源管理。Junmin Zhang：撰写——审稿与编辑，监督。

未引用参考文献

[17], [18], [19], [85], [115], [116], [130], [140], [165], [179], [190], [225], [234], [245]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（82560817，82001995）、兰州青年科技创新项目（2024-QN-193）和中央引导地方科技发展项目（24ZYQA039）的支持。