人肠道梭菌和甲烷马赛球菌协同代谢甜菜碱和胆碱产甲烷研究

摘要

【目的】根据人肠道富含胆碱和甜菜碱,同时肠道微生物组中具有裂解胆碱和还原甜菜碱产三甲胺的细菌,以及利用三甲胺产甲烷的古菌,本研究探讨肠道细菌与古菌协同代谢甜菜碱和胆碱产甲烷的可能性。【方法】调查不同年龄段人群粪便中的16S rRNA基因多样性,分析肠道中古菌的菌群组成;利用定量PCR(quantitative PCR,qPCR)定量甲烷马赛球菌(Methanomassiliicoccus)特异的甲醇甲基转移酶基因mtaB和甲烷八叠球菌(Methanosarcina)及细菌的16S rRNA基因拷贝数,分析肠道中甲基营养型产甲烷古菌及总细菌的含量;宏基因组组装基因组(metagenome-assembled genomes,MAGs)分析携带甜菜碱还原酶基因grdH和胆碱裂解酶基因cutC的细菌组成。从粪便中分离代谢甜菜碱及胆碱产生三甲胺的细菌,并与分离自人肠道的甲烷马赛球菌构建共培养物,测定其协同转化甜菜碱和胆碱产甲烷的能力。【结果】年轻人粪便中含有甲烷杆菌科(Methanobacteriaceae,82.16%)的甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter,49.18%)和甲烷杆菌属(Methanobacterium,33.34%)、甲基营养型的甲烷八叠球菌科(Methanosarcinaceae,5.67%)的甲烷八叠球菌属(Methanosarcina,5.70%),以及甲烷马赛球菌科(Methanomassiliicoccaceae,3.13%)的甲烷马赛球菌属(Methanomassiliicoccus,3.14%)。而中老年人粪便中的甲烷古菌多样性较低,也未检测到甲烷马赛球菌。qPCR定量分析显示年轻人比中老年人肠道的总古菌含量高3.11倍,其中甲烷马赛球菌高6.53倍、甲烷八叠球菌高5.52倍,总细菌含量高2.90倍。宏基因组分析组装了229个细菌基因组,其中42个携带基因grdH和cutC,这些细菌属于毛螺菌科(Lachnospiraceae)、肠杆菌科(Enterobacteriaceae)和梭菌科(Clostridiaceae)等。从粪便中分离到恶名梭菌(Clostridium malenominatum)B8,菌株B8与卢米尼甲烷马赛球菌(Methanomassiliicoccus luminyensis)B10共培养物可降解47.03%的甜菜碱和25.83%胆碱,并产生甲烷,在培养液中检测到三甲胺先积累后被降解。【结论】人肠道细菌恶名梭菌B8和卢米尼甲烷马赛球菌B10可协同代谢甜菜碱和胆碱产甲烷,推测它们在人肠道中可将部分食物中的甜菜碱和胆碱代谢产生甲烷。