?前言
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今夏各地的極端高溫已經持續了將近2個月，高溫干旱天氣影響果樹等農作物生長。氣候變化將導致全球人口糧食危機，而西方國家的飲食習慣使大量的副產品植物纖維被浪費。經過簡單食品加工方法產生的副產物植物纖維其實是多種自然發生的具有生理活性分子的生物儲存庫。來自圣路易斯華盛頓大學Nathan D. Han的研究團隊從環保的角度出發，揭示了人類腸道菌群能夠從柑橘纖維中釋放并利用N-甲基-5-羥色胺，減少肥胖，改變肝糖生成，縮短腸道運輸時間并改變肝臟和結腸中調節晝夜節律的基因表達，為利用膳食纖維建立健康飲食結構提供了新的策略和見解。
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背景介紹
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人口增長、氣候變化帶來的生存威脅以及與之相關的環境可持續性挑戰使人們將注意力集中在糧食生產上，包括對糧食生產過程中產生的大量無機和有機副產品的管理。植物纖維代表了一個潛在的巨大且大部分未確定特征的天然分子儲存庫，可能具有促進健康的作用。
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全球每年年產大量柑橘。工業加工柑橘總重量的近一半用于生產果汁并產生數千萬噸柑橘廢物。提高柑橘廢物價值的一個策略是通過提取有價值的化合物，包括精油、黃酮類化合物、果膠和膳食纖維。
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目前廣泛的研究表明人類腸道菌群對機體有重要作用，它們能影響體重和消化能力、抵御感染和自體免疫疾病的患病風險等。腸道菌群還能夠識別膳食纖維成分中的代謝產物，增加膳食纖維攝入量與改善健康狀況之間的關聯已被廣泛認可。
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5-羥色胺是一種重要的神經遞質，被廣泛的認為能夠調整情緒和睡眠，并能夠改善胃腸道功能。N-甲基-5-羥色胺與5-羥色胺結構相似，本文中對其功能進行進一步的研究。
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亮點要素
01 被丟棄的植物纖維中難接觸的化合物被腸道微生物釋放
02 柑橘纖維中的N-甲基-5-羥色胺的釋放具有物種水平的特異性
03 N-甲基-5-羥色胺影響無菌小鼠的肥胖、代謝和腸道運動
04 N-甲基-5-羥色胺和細菌碳水化合物活性酶在食用柑橘纖維的人類中是相關的
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研究內容
01
作為表征腸道細菌類釋放纖維相關生物活性成分的出發點，研究者選擇了一種商業化食品級柑橘纖維來源，該來源來自榨汁過程的副產物，沒有經過化學處理及提取，對原始生物成分保留較好。接下來對2組成年C57BL/6J無菌小鼠定植了測序得到的人類腸道14個菌株組成的菌群，另2組小鼠保持無菌。這4組小鼠在添加或不添加10%橘纖維的情況下，自由喂食21日的高飽和脂肪、低水果和蔬菜膳食（HiSF-LoFV膳食飼料）。對獲取的盲腸內容物進行LC-Qtof-MS/MS分析顯示，在食用補充橘纖維飲食的定植小鼠中，與其他3個實驗組相比，盲腸內容物中有116個特征增加至少3倍。其中N-甲基-5-羥色胺顯著特征僅在喂食補充橘纖維飲食的定植小鼠中大量存在，并且在14個定植的菌株中，卵形擬桿菌菌株和狄氏副擬桿菌釋放N-甲基-5-羥色胺量最高。隨后研究者對其他農作物中的N-甲基-5-羥色胺含量進行檢測，包括玉米、小麥、水稻和木薯等全球主要糧食以及美國常見的水果和蔬菜，卻只在三個來源的樣本中檢測到，顯示了柑橘纖維的特殊性。
Figure1. Colonization and orange-fiber-dependent accumulation of N-methylserotonin in the intestines of gnotobiotic mice.
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02
為了探索N-甲基-5-羥色胺的宿主效應，研究者首先檢測了它是否能在小鼠體內代謝。結果表明，小鼠不能直接代謝N-甲基-5-羥色胺。后續實驗中給12周齡無菌C57BL/6J小鼠喂食未補充橘纖維的HiSF-LoFV飲食，并通過其飲用水額外給予N-甲基-5-羥色胺21日。與未經治療組相比，口服較高量的N-甲基-5-羥色胺使附睪脂肪量顯著減少、肝糖原顯著增加、代謝前體尿苷等顯著減少、糖原分解/糖異生形成關鍵代謝中間產物也顯著減少。基于這些結果，研究者檢測了受試小鼠肝臟和結腸中的基因表達，發現差異基因與晝夜節律和脂肪酸相關的GO生物通路相符合。有研究表明與晝夜節律相關的基因在協調結腸運動的腸肌叢中表達，研究者又對受試鼠胃腸道傳輸時間進行了檢測。實驗結果顯示，N-甲基-5-羥色胺能顯著減少腸轉運時間/增加運動能力。
Figure 2. Effects of orally administered N-methylserotonin in germ-free mice.
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03
研究者篩選了24種其他系統發育多樣性的人類腸道細菌菌株，但沒有一種菌株產生了大量的N-甲基-5-羥色胺。并且卵形擬桿菌菌株和狄氏副擬桿菌都不能產生高水平的N-甲基-5-羥色胺?；谶@些體外研究結果，繼續使用這兩種菌株在三組成年C57BL/6J無菌小鼠中定植，結果顯示各聯合體內的所有菌株均能在受體動物上定植。定植4個菌群的小鼠總生物量比定植14個菌群的動物低2倍。對糞便樣本分析顯示，定植4/14個菌群小鼠中，N-甲基-5-羥色胺水平高于10個菌群組，體重增長和附睪脂肪墊質量顯著較低，腸道傳輸時間也顯著減少。該結果顯示了人體腸道細菌菌株從添加橘纖維的HiSF-LoFV飲食中釋放N-甲基-5-羥色胺的特異性和宿主生理效應。
Figure 3. Specificity and host physiologic effects of N-methylserotonin release from the orange-fiber-supplemented HiSF-LoFV diet by human gut bacterial strains in vivo.
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04
研究者采用比較基因組學和功能基因組學方法來表征從橘纖維中釋放N-甲基-5-羥色胺的機制。為了鑒定與N-甲基-5-羥色胺釋放相關的基因，對所有12株卵形擬桿菌進行了基因組測序，并注釋了所有已知或預測的編碼蛋白，確定了133個基因。橘纖維中含有高半乳糖醛酸、鼠李半乳糖醛酸、木聚糖和阿拉伯糖等結構。而擬桿菌屬具有多個多糖利用位點。這些位點編碼的蛋白質參與各種糖結構的結合和輸入，以及催化其降解的碳水化合物活性酶。研究者發現卵形擬桿菌TSDC 17.2株和115株的多糖利用位點保守性和共向性均很高，可以通過表達聚糖的降解酶來釋放纖維中的N-甲基-5-羥色胺，而人類基因組中缺乏這種酶，這種酶起到了分子剪刀的作用，可以分解橘纖維中的復雜糖類結構釋放N-甲基-5-羥色胺。
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Figure4. In vitro B. ovatus strain-specific N-methylserotonin‘mining’phenotypes and identification of candidate genes involved in its release from the OF preparation.
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05
為了評估這些體外分析和小鼠模型的結果對人類的可轉化性，研究者分析了兩項臨床試驗參與者的糞便樣本。對受試者給予柑橘纖維和豌豆纖維的零食，評估采掘在不同背景飲食中是否穩健，對橘纖維是否表現出特異性，以及是否依賴于攝入的橘纖維量。結果表明，攝入柑橘纖維零食的與攝入豌豆纖維零食的人群相比有著較高水平的N-甲基-5-羥色胺，卵形擬桿菌的豐度在食用期間有顯著差異，碳水化合物活性酶CAZyme基因（β葡聚糖/纖維素酶、半乳聚糖等）也顯著上調。綜上所述，臨床結果揭示了糞便中N-甲基-5-羥色胺的橘纖維特異性、劑量依賴性積累，其中N-甲基-5-羥色胺的濃度與編碼果膠聚糖靶點CAZymes的微生物組基因的豐度呈正相關。
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Figure 5. Dose-and fiber-dependent accumulation of N-methylserotonin of adult dizygotic twin pairs consuming fifiber snack food prototypes.
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