微生物硫代谢重编程将脱硫弧菌干预与高蛋氨酸饮食下的肠肝轴损伤联系起来

《Food Bioscience》：Microbial sulfur metabolic remodeling links Desulfovibrio desulfuricans intervention to gut-liver axis injury under a high methionine diet

　　摘要：膳食中的硫氨基酸摄入可能会影响肠道微生物的代谢，并进而影响肠肝健康，但在高蛋氨酸饮食条件下，硫代谢细菌的作用仍不明确。本研究探讨了在高蛋氨酸饮食背景下，引入脱硫弧菌后所引发的肠道微生物、代谢及宿主反应。被喂食高蛋氨酸饮食的小鼠被分为高蛋氨酸组以及高蛋氨酸加脱硫弧菌干预组。与高蛋氨酸组相比，干预组小鼠的血清丙氨酸氨基转移酶、天冬氨酸氨基转移酶和乳酸脱氢酶水平升高，肝脏炎症损伤更为明显，Ly6G阳性区域和F4/80阳性区域也更大。结肠中的Tjp1、Ocln和ZO1基因表达降低，表明肠道屏障相关标志物减少。经过脱硫弧菌干预后，肠道微生物群的α多样性降低，脱硫弧菌和Lachnospiraceae_NK4A136菌属的比例上升，而Muribaculaceae菌属的比例则下降。宏基因组分析显示微生物功能谱发生改变，与硫元素及氧化还原反应相关的KEGG基因特征也出现变化。干预组小鼠的粪便硫化氢含量升高，同时盲肠中的半胱氨酸、胱氨酸、胱硫醚、S-腺苷甲硫氨酸和5′-甲基硫代腺苷含量也增加。血清中的三甲胺、胆碱和谷氨酸水平升高，而吲哚-3-乳酸水平则降低。综合多组学分析结果表明，微生物类群、与硫元素及氧化还原反应相关的基因特征、代谢物、肠道屏障相关标志物以及肝脏损伤指标之间存在关联。这些发现表明，在高蛋氨酸饮食背景下引入脱硫弧菌会导致肝脏炎症损伤、结肠屏障相关标志物降低，同时引发微生物、功能及代谢方面的协同变化，尤其是与硫元素相关的代谢重塑。

引言：肝脏是负责营养感知、代谢调节和免疫稳态的核心器官。其病理变化不仅受宿主代谢网络的影响，还与肠道微生物群及其代谢产物密切相关（Hsu & Schnabl, 2023; Pabst et al., 2023; Tilg et al., 2022）。越来越多的证据表明，肠道微生物失衡和肠道屏障功能受损会通过门脉循环将微生物成分和代谢产物输送到肝脏，从而促进肝脏脂肪堆积、炎症反应和组织损伤（Chopyk & Grakoui, 2020; Song et al., 2025; Wang J. et al., 2025）。因此，肠肝轴已被视为连接肠道菌群失调、肠道屏障功能障碍和肝脏代谢性炎症的重要机制框架（Jin et al., 2025; Rodrigues et al., 2024; Xu et al., 2025）。含硫氨基酸，尤其是蛋氨酸和半胱氨酸，是参与蛋白质合成、一碳代谢和氧化还原平衡的重要营养物质（Olsen et al., 2026）。然而，过量的蛋氨酸摄入可能会扰乱肠道微环境，改变肠道微生物组成，进而影响微生物代谢网络，最终对肝脏功能产生作用（Derouiche et al., 2024; W. Li et al., 2025）。我们之前的研究显示，仅高蛋氨酸摄入就会显著改变小鼠的肠道微生物群和肠道脂质谱，导致肠道屏障功能改变，并引发肝脏脂肪变性（L. Zhou et al., 2024a）。此外，有研究指出，消除肠道微生物群可以缓解高蛋氨酸饮食引起的同型半胱氨酸升高和葡萄糖耐受不良现象，同时与半胱氨酸和蛋氨酸代谢相关的细菌KEGG基因功能也会发生改变（W. Li et al., 2023）。尽管这些研究表明高蛋氨酸饮食会影响肠道微生物组成、微生物代谢功能以及肝脏功能，但在这种饮食背景下与肠肝轴损伤相关的微生物类群及其作用机制尚未完全明确。硫酸盐还原菌是厌氧肠道微生物群中的重要成员，它们以氧化态硫化合物作为最终电子受体，将硫化物作为代谢产物生成（Kushkevych et al., 2020）。其中，脱硫弧菌是哺乳动物肠道中典型的硫酸盐还原菌属，与肠道硫代谢密切相关（Singh et al., 2023）。脱硫弧菌是一种革兰氏阴性厌氧硫代谢细菌，具有产生硫化氢的能力，而且从人类肠道中分离出的脱硫弧菌具有生物活性的脂质A结构（ZhangSun et al., 2015）。这些特性使得脱硫弧菌成为研究在富含硫元素的饮食条件下，硫代谢细菌如何与肠道屏障及宿主炎症反应相互作用的理想对象。在属层面，脱硫弧菌的增加与饮食诱导肥胖的小鼠以及肥胖儿童的脂肪肝表现有关（Lin et al., 2022）。在种层面，已有研究指出，脱硫弧菌及其衍生的代谢产物可以通过METTL3基因在结直肠癌中帮助癌细胞抵抗FOLFOX化疗（G. Li et al., 2024）。其他脱硫弧菌种类的研究也表明，普通脱硫弧菌可以促进肠道炎症，加重小鼠因DSS诱导的结肠炎（Huang et al., 2024）。这些发现提示，脱硫弧菌数量的增加可能与代谢、炎症以及治疗反应等相关，但其生物学效应可能因宿主状态、物种或菌株类型以及饮食背景的不同而有所差异。从机制上来看，脱硫弧菌可能通过影响肠道屏障完整性、增加肠道通透性以及激活炎症信号通路来诱发宿主损伤（K. Zhang et al., 2023）。此外，也有研究指出硫酸盐还原菌可以通过上皮调控途径增加紧密连接处的通透性（Singh et al., 2022）。不过，脱硫弧菌对宿主的效应并非一致，有些研究显示某些特定的脱硫弧菌种类或菌株在代谢性疾病模型中可能具有有益作用，例如普通脱硫弧菌可能通过产生乙酸来减轻小鼠的非酒精性脂肪肝病（Hong et al., 2021）。更广泛地说，近期研究强调，饮食模式以及针对微生物群的策略，包括益生菌、益生元和合生元方法，都可以调节肠道微生物的稳态、炎症反应以及宿主的代谢状况（Aziz et al., 2024; Ul Ain et al., 2024）。此外，不应将脱硫弧菌孤立地看待，因为肠道微生物类群存在于复杂的共存和代谢相互作用网络中，这些网络涉及底物竞争、交叉喂养和代谢物交换等多种现象（Marcelino et al., 2023; Rey et al., 2013; Teigen et al., 2024; S. Wang et al., 2024）。因此，脱硫弧菌数量的变化往往伴随着更广泛的肠道微生物群结构变化，其生物学效应应结合具体的物种或菌株类型、宿主状态以及饮食背景来解读，而非将其视为一种普遍的属级效应。我们之前的研究进一步提供了证据，表明在正常饲料饮食背景下，引入脱硫弧菌会引发肠肝轴损伤，而限制含硫氨基酸的摄入则可以逆转这种损伤（L. Zhou et al., 2024b）。结合之前关于高蛋氨酸饮食的研究，这些发现表明，膳食中硫氨基酸的供应量以及脱硫弧菌的数量都与肠肝轴的功能状态密切相关，同时也暗示宿主对脱硫弧菌的反应可能受膳食中硫氨基酸含量的影响。基于这些前期证据，本研究旨在进一步深入探讨这一主题，而非重复之前的正常饲料+脱硫弧菌实验模型。由于高蛋氨酸饮食会增加膳食中硫氨基酸的供应量，这一饮食背景对于研究脱硫弧菌干预所引发的肠道微生物硫代谢反应具有特殊意义。因此，我们将处于高蛋氨酸饮食状态的小鼠给予脱硫弧菌，随后通过多种分析方法综合评估其血清生化指标、肝脏组织学特征、肠道屏障相关标志物、16S rRNA序列、宏基因组功能谱、粪便硫化氢含量，以及盲肠内容物和血清中的特定代谢物组成。本研究旨在确定在高蛋氨酸饮食背景下引入脱硫弧菌是否会导致肠肝轴损伤，以及是否会引起肠道微生物、功能及代谢方面的协同变化，尤其关注硫代谢方面的变化。

实验材料：脱硫弧菌ATCC 29577菌株是从美国典型培养物收藏中心获得的，随后在专用的脱硫弧菌培养基中于厌氧条件下进行培养。该培养基由四种分别经过灭菌处理的溶液混合而成：溶液A含有KH2PO4（0.5克）、NH4Cl（1.0克）、Na2SO4（1.0克）、CaCl2·2H2O（0.06克）、MgSO4·7H2O（0.06克）、酵母提取物（1.0克）和雷萨紫（1毫克），所有物质均溶解在980毫升的超纯水中；溶液B为10毫升浓度为30%的乳酸钠溶液；溶液C含有三钠柠檬酸盐。

高蛋氨酸饮食下脱硫弧菌干预会加剧肝脏炎症损伤并降低结肠屏障相关标志物：为了评估在高蛋氨酸饮食背景下引入脱硫弧菌后宿主的反应，我们将小鼠分组，一组给予生理盐水灌胃，另一组给予脱硫弧菌灌胃，持续28天（图1A）。实验结束时，两组小鼠的最终体重相近（图1B）。通过对笼子的监测发现，接受脱硫弧菌干预组小鼠的每日平均能量摄入量较低；由于食物摄入量是按笼子为单位记录的，因此此处仅对这一数值进行描述性说明（图1C）。小鼠的肝脏重量与体重的比值没有出现显著变化（图……）。

讨论：本研究是基于我们之前的研究发现设计的，之前的研究显示，单独的高蛋氨酸饮食以及在正常饲料饮食背景下过量引入脱硫弧菌都会影响肠肝轴的功能状态。本研究的优势在于重点关注膳食中硫氨基酸的含量这一因素。由于高蛋氨酸饮食会增加膳食中硫氨基酸的供应量，因此这一饮食背景有助于研究脱硫弧菌干预所引发的肠道微生物硫代谢反应。

结论：总体而言，本研究表明，在高蛋氨酸饮食背景下引入脱硫弧菌会导致小鼠出现肝脏炎症损伤加剧、结肠屏障相关标志物降低的表型。这类表型还包括肠道微生物组成的改变、与硫元素及氧化还原反应相关的微生物功能特征的变化、粪便硫化氢含量的升高、盲肠中硫相关代谢物的改变，以及循环代谢物的变化。这些发现支持“基于关联的肠肝轴模型”这一观点。

CRediT作者贡献说明：耿岩：论文撰写与修改、研究监督、资金获取、概念设计；薛宇正：研究监督、资金获取、定量分析；任怡琳：研究监督、资源提供、资金获取；徐正红：结果验证、定量分析；史金松：结果验证、定量分析；周林溪：研究方法设计、实验实施；颜震：论文初稿撰写、数据可视化、数据整理。

未引用参考文献：Li et al., 2025。

利益冲突声明：作者声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明：作者再次声明，自己没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢：作者衷心感谢中国国家重点研发计划（2024YFF0619500）、国家自然科学基金（项目编号为32101964、32372302、82405210、31970746）、中国博士后科学基金会（2023M731346）、江苏省自然科学基金（项目编号为BK20241755、BK20210069）、无锡市卫生健康委员会针对中青年人才的扶持计划（项目编号为BJ2023046、BJ2020065）、无锡太湖人才计划等项目的资助支持。

颜震|周林溪|史金松|徐正红|任怡琳|薛宇正|耿岩
中国江苏无锡214122，江南大学附属医院胃肠病学科，江南大学生命科学与健康工程学院