高歌，王佳堃

（浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院奶業(yè)科學(xué)研究所，杭州310058）

瘤胃微生物可有效降解纖維類物質(zhì)，生成揮發(fā)性脂肪酸，為機(jī)體供能。擬桿菌是瘤胃中主要的纖維降解菌[1]，含有豐富的多糖利用位點(diǎn)（polysaccharide utilization loci, PULs），能在不同碳源環(huán)境中生存。多糖利用位點(diǎn)是一組基因簇，編碼與多糖代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)[2]。多糖利用位點(diǎn)作為擬桿菌在瘤胃中降解纖維類物質(zhì)的重要分子特征，對其作用機(jī)制及分子特征的深入了解，是調(diào)控瘤胃微生物群落、優(yōu)化瘤胃微生物功能的基礎(chǔ)。纖維類物質(zhì)的降解是制造生物塑料、生物產(chǎn)氫和生物燃料的前提，與其他厭氧發(fā)酵系統(tǒng)相比，瘤胃微生物發(fā)酵具有高效降解纖維的獨(dú)特優(yōu)勢[3]。多糖利用位點(diǎn)是在自然選擇下多酶協(xié)同、高效降解多糖物質(zhì)的范例，例如半乳甘露聚糖多糖利用位點(diǎn)中的糖苷水解酶（glycoside hydrolases,GHs）第26家族和第36家族共同作用于半乳甘露聚糖時，半乳糖的生成速率是2 個酶分別作用時的10倍和5倍[4]。過去關(guān)于高效纖維素酶的挖掘多集中于碳水化合物活性酶（carbohydrateactive enzymes,CAZymes），未來的研究可更多地從基于多糖利用位點(diǎn)出發(fā)去尋找能應(yīng)用于生物能源開發(fā)的酶和多酶組合[5-6]?？傊?，多糖利用位點(diǎn)在動物高效飼養(yǎng)和生物能源開發(fā)上有重要的應(yīng)用價值。本文就多糖利用位點(diǎn)的作用模式、調(diào)控機(jī)制，瘤胃微生物多糖利用位點(diǎn)的底物多樣性、生態(tài)位分布及研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡要綜述。

1 多糖利用位點(diǎn)的作用模式

多糖利用位點(diǎn)由SALYERS 研究團(tuán)隊首次報道。他們發(fā)現(xiàn)多形擬桿菌（Bacteroides thetaiotaomicron）基因組中有一個含8個基因的基因簇，它編碼降解淀粉利用系統(tǒng)（starch utilization system,Sus）所需的全部蛋白質(zhì)[7-8]。研究人員隨后發(fā)現(xiàn)了許多結(jié)構(gòu)類似的基因簇，它們除降解淀粉外還可以降解其他多糖，繼而這些結(jié)構(gòu)類似的基因簇被命名為多糖利用位點(diǎn)。多糖利用位點(diǎn)的標(biāo)志性特點(diǎn)是至少有1 對連續(xù)的分別編碼TonB 依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)體（TonB-dependent transporters,TBDTs）蛋白和細(xì)胞表面多糖結(jié)合蛋白（cell surface glycan-binding proteins,SGBPs）的SusC/SusD[9]。除此之外，多糖利用位點(diǎn)還編碼細(xì)胞表面及周質(zhì)內(nèi)的碳水化合物活性酶（CAZymes）、調(diào)控蛋白和其他的SGBPs。多糖利用位點(diǎn)中的CAZymes 通常為GHs、多糖裂解酶（polysaccharide lyases, PLs）和碳水化合物酯酶（carbohydrate esterases,CEs）。針對特殊的底物，多糖利用位點(diǎn)中也可能出現(xiàn)蛋白酶和硫酸酯酶等輔助酶[10-11]。多糖利用位點(diǎn)中酶的數(shù)量與底物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度相對應(yīng)，結(jié)構(gòu)相對簡單的淀粉，其多糖利用位點(diǎn)中僅含3 個CAZymes[12]，而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鼠李半乳糖醛酸，其多糖利用位點(diǎn)中含23個CAZymes[13]。

多糖利用位點(diǎn)通過級聯(lián)的方式實現(xiàn)多糖的高效降解（圖1）。這個級聯(lián)過程起始于SusD、SusE和SusF識別和結(jié)合細(xì)胞外的多糖，隨后多糖被內(nèi)切聚糖酶或外切聚糖酶類GHs等初步降解為低聚糖，接著低聚糖通過SusC運(yùn)輸進(jìn)入外胞周質(zhì)，在細(xì)胞周質(zhì)內(nèi)低聚糖被糖苷酶類GHs等進(jìn)一步水解，最后生成分子質(zhì)量更小的寡糖或單糖，并被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)內(nèi)儲存或利用。這一過程中外胞周質(zhì)內(nèi)的低聚糖作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控的信號，被調(diào)控因子識別，從而調(diào)控多糖利用位點(diǎn)的表達(dá)。

在多糖利用位點(diǎn)中，SusC 和SusD 是標(biāo)志性的結(jié)構(gòu)，對于多糖物質(zhì)結(jié)合到細(xì)胞表面及后續(xù)的轉(zhuǎn)運(yùn)都是必需的，并且二者之間存在著相互作用的關(guān)系。GLENWRIGHT等利用X射線衍射的方法研究了SusC/SusD 復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)，提出了多糖利用位點(diǎn)獲取營養(yǎng)物質(zhì)的踏板箱機(jī)制[14]。SusC 是一類TBDTs，分子質(zhì)量（約120 kDa）比典型的TBDTs 分子質(zhì)量（約75 kDa）大60%，具有TBDTs 的典型結(jié)構(gòu)：一個有N末端延長區(qū)的塞子樣的結(jié)構(gòu)域和一個由22 股β鏈組成的桶形結(jié)構(gòu)域，其中β桶形結(jié)構(gòu)包圍著塞子結(jié)構(gòu)。SusD 覆蓋在桶狀蛋白SusC 上，形成細(xì)胞外的蓋子，SusC 和SusD 由約50 個氫鍵和3個鹽橋穩(wěn)固連接。未結(jié)合底物時，SusD蓋子呈打開狀態(tài)，向胞外暴露出底物結(jié)合區(qū)域；當(dāng)結(jié)合底物后，SusD蓋子關(guān)閉，塞子構(gòu)象改變，形成轉(zhuǎn)運(yùn)通道，將底物由通道運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞周質(zhì)內(nèi)?？傊?，蛋白結(jié)構(gòu)解析技術(shù)揭示了多糖利用位點(diǎn)中SusC/SusD 的作用機(jī)制，為進(jìn)一步探究SusC/SusD 的底物特異性提供了研究基礎(chǔ)[15]。

除多糖利用位點(diǎn)外，纖維小體和胞外分泌表達(dá)的游離酶是另外2種多糖降解模式[16]。纖維小體是通過錨定結(jié)構(gòu)域與支架蛋白上的黏附結(jié)構(gòu)域特異性結(jié)合組成的胞外多酶復(fù)合體，通常存在于細(xì)胞表面，緊密結(jié)合纖維素后發(fā)揮降解作用[17]。相較于胞外分泌表達(dá)的游離酶中多個酶的游離狀，纖維小體和多糖利用位點(diǎn)中的多個酶極為貼近底物，協(xié)同活性更高[18-19]。與纖維小體在細(xì)胞表面結(jié)合和充分降解多糖物質(zhì)不同的是，多糖利用位點(diǎn)僅在細(xì)胞表面初步降解多糖物質(zhì)為特定的低聚糖，該低聚糖僅可被該菌自身或少量的其他菌株識別和利用，這是多糖利用位點(diǎn)規(guī)避互養(yǎng)和能量共享的“自私”機(jī)制，使編碼多糖利用位點(diǎn)的菌株在任何環(huán)境中都可競爭性地獲得主導(dǎo)地位[20-21]。蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，以纖維素類物質(zhì)為食的馴鹿瘤胃中，多糖利用位點(diǎn)是主要的多糖降解模式，纖維小體和胞外分泌表達(dá)的游離酶的模式都較少出現(xiàn)[22]。

圖1 多糖利用位點(diǎn)功能示意圖[12]Fig.1 Function diagram of a PUL[12]

2 多糖利用位點(diǎn)的調(diào)控機(jī)制

為了更高效地利用多糖，對應(yīng)不同的多糖底物，多糖利用位點(diǎn)的基因簇中包含著不同的調(diào)控元件，以不同的方式完成對多糖利用位點(diǎn)表達(dá)的調(diào)控。多糖利用位點(diǎn)的調(diào)控方式有SusR調(diào)控器/感受器、胞質(zhì)外功能σ（extracytoplasmic function sigma,ECF-σ）因子/抗-σ（anti-σ）因子對、混合雙組分系統(tǒng)（hybrid two-component systems, HTCSs）[23]。SusR 識別周質(zhì)中的麥芽糖，ECF-σ/anti-σ和HTCSs 分別識別宿主多糖和植物多糖的水解產(chǎn)物。SusR是完整的內(nèi)膜蛋白[24]，與麥芽糖結(jié)合后，快速誘發(fā)淀粉多糖利用位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄。多形擬桿菌（B.thetaiotaomicron）接觸到淀粉30 min內(nèi)，淀粉多糖利用位點(diǎn)中的蛋白大量表達(dá)，呈現(xiàn)出對底物的快速響應(yīng)[25]。anti-σ識別來自母乳和黏液O-連接聚糖中的低聚糖后，將ECF-σ釋放入細(xì)胞質(zhì)，與RNA 聚合酶相互作用，促進(jìn)多糖利用位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄[26]。HTCSs 是一個跨膜蛋白，它從N 末端到C 末端依次包含碳水化合物感知域、組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域、響應(yīng)調(diào)控域和DNA結(jié)合域。HTCSs 感知到周質(zhì)內(nèi)的低聚糖后，發(fā)生磷酸化，進(jìn)行分子內(nèi)的磷酸轉(zhuǎn)移，通過DNA 結(jié)合域，觸發(fā)轉(zhuǎn)錄激活，從而調(diào)控多糖利用位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄[27]。多形擬桿菌（B. thetaiotaomicron）中的HTCS BT0366 識別阿拉伯聚糖后發(fā)生磷酸化，從而激活了阿拉伯聚糖多糖利用位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄；而添加硫酸軟骨素來抑制HTCS BT0366的磷酸化，則抑制了阿拉伯聚糖多糖利用位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄?？傊嗵抢梦稽c(diǎn)的調(diào)控機(jī)制，使其對多糖的識別與水解更加高效。

3 瘤胃微生物的多糖利用位點(diǎn)

宏基因?qū)W研究表明，在馴鹿[28]、牛[29-30]、駱駝[31]等反芻動物瘤胃中，多糖利用位點(diǎn)廣泛存在。同時，宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)[32]和宏蛋白組學(xué)[22]研究揭示，瘤胃中的多糖利用位點(diǎn)呈高轉(zhuǎn)錄和高表達(dá)水平。CAZymes 的多糖利用位點(diǎn)數(shù)據(jù)庫（PULDB）中包含了64株瘤胃擬桿菌的多糖利用位點(diǎn)信息，占全庫信息的6%。

3.1 瘤胃微生物多糖利用位點(diǎn)的底物多樣性

反芻動物的草食性及瘤胃液體環(huán)境決定了瘤胃微生物必須以更高效的方式從纖維性飼料中獲取碳源。與其他單胃動物相比，瘤胃微生物的多糖利用位點(diǎn)廣泛地參與纖維素、半纖維素（木聚糖、甘露聚糖、木葡聚糖、β-葡聚糖）和果膠等纖維類物質(zhì)的高效降解[22,33]。

多糖利用位點(diǎn)的底物多樣性由不同的組分和它們的協(xié)同機(jī)制共同決定。瘤胃中的多糖利用位點(diǎn)結(jié)構(gòu)以SusC/SusD 居多，這可能是由于SusC/SusD附近的基因功能未知，無法預(yù)測出完整的多糖利用位點(diǎn)結(jié)構(gòu)[22,33-34]。瘤胃中的纖維素多糖利用位點(diǎn)（圖2，PUL 1）發(fā)現(xiàn)于不可純培養(yǎng)的擬桿菌AC2a（Bacteroidetes phylotype AC2a）中，結(jié)構(gòu)簡單，僅編碼8 個基因。其中：SusD 和SusE 負(fù)責(zé)結(jié)合纖維素，GH5 和GH9 協(xié)同降解纖維素為纖維二糖，SusC 轉(zhuǎn)運(yùn)纖維二糖到細(xì)胞周質(zhì)內(nèi)，GH94 將纖維二糖降解為單糖[19]。甘露聚糖多糖利用位點(diǎn)（圖2，PUL 2）發(fā)現(xiàn)于普氏菌屬PREV32（Prevotellasp.PREV32）中，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。其中的GH5A負(fù)責(zé)降解植物纖維中的β-葡聚糖和木聚糖，使被覆蓋的甘露聚糖可被GH5B 接觸到，CE7 協(xié)助乙?；事毒厶堑慕到狻Ｖ饕^程為GH5B降解半乳甘露聚糖為半乳甘露低聚糖，SusC轉(zhuǎn)運(yùn)低聚糖到外周胞質(zhì)內(nèi)，GH36去除低聚糖上的半乳糖，GH26 降解甘露低聚糖為甘露二糖或甘露糖，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸降解產(chǎn)物到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，其中的甘露二糖-2-表異構(gòu)酶易把甘露二糖加工為甘露糖基化葡萄糖，GH130負(fù)責(zé)降解甘露糖基化葡萄糖和甘露二糖。木聚糖利用位點(diǎn)（圖2，PUL 3）發(fā)現(xiàn)于布氏普雷沃菌（Prevotella bryantii）中，其中存在一個木聚糖利用核心基因簇，包含2 個串聯(lián)的SusC/SusD 結(jié)構(gòu)、1 個功能未知的蛋白和1 個GH10[35]，是擬桿菌利用木聚糖的典型特征。GH10的一個重要特征是它的催化域中有2個碳水化合物結(jié)合域4 家族（carbohydrate-binding module family 4,CBM4），使該酶可以緊密結(jié)合木聚糖，增強(qiáng)了自身的木聚糖降解能力[36]。瘤胃中其他木聚糖利用位點(diǎn)也具有類似的核心基因簇，但其多糖利用位點(diǎn)中其他的組分可能不同。

通常認(rèn)為，1 個多糖利用位點(diǎn)只可降解1 種多糖，如GH5 和GH9，二者都是作用十分廣泛的酶，可降解許多半纖維素和纖維素物質(zhì)，但當(dāng)它們共存在一個木葡聚糖多糖利用位點(diǎn)中時，只可降解木葡聚糖[37]。與之相反，瘤胃中存在一個可降解多種多糖的多糖利用位點(diǎn)（圖2，PUL 4），發(fā)現(xiàn)于擬桿菌SRM-1（Bacteroidetes phylotype SRM-1）中，其中的GH5 可降解β-葡聚糖、甘露聚糖、木聚糖、木葡聚糖和非結(jié)晶纖維素[38]。2個SusD和1個SusE可以結(jié)合纖維素和β-葡聚糖，而結(jié)合甘露聚糖的能力較弱。GH5和GH26降解半纖維素底物，其中：GH5降解產(chǎn)生的纖維二糖被GH94降解為單糖；GH26降解產(chǎn)生的甘露低聚糖被GH130 降解為甘露糖，半乳糖單體被GH2 釋放。GH5 和CE7 的存在，提示該多糖利用位點(diǎn)對木聚糖和低聚木糖有脫乙酰作用。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白負(fù)責(zé)最終單體的運(yùn)輸。該多糖利用位點(diǎn)廣泛的功能決定了其在瘤胃中普遍存在。

3.2 瘤胃微生物多糖利用位點(diǎn)的生態(tài)位分布

與人腸道擬桿菌的多糖利用位點(diǎn)分布相似，瘤胃微生物降解不同的多糖，呈現(xiàn)精細(xì)的多糖利用位點(diǎn)生態(tài)位分布[22]。目前預(yù)測到的瘤胃多糖利用位點(diǎn)主要來自于普氏菌屬（Prevotella）、擬桿菌屬（Bacteroides）[28,30-33,39]及未被分類的擬桿菌[34,40]。瘤胃微生物單個菌株中包含的多糖利用位點(diǎn)數(shù)量從1個到37個不等[35]。包含37個和35個多糖利用位點(diǎn)的菌株與多糖普雷沃菌（Prevotella multisaccharivorax）系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系極近[41]，多糖利用位點(diǎn)數(shù)量第2 多的菌株與棲瘤胃普雷沃菌（P.ruminicola）系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系極近[33]，這均印證了普氏菌屬強(qiáng)大的多糖降解能力，也說明豐富的多糖利用位點(diǎn)可能是普氏菌屬成為瘤胃中豐度最高類群的重要原因之一[42-44]。單個普氏菌同時含有利用不同底物的多個多糖利用位點(diǎn)，但不同的普氏菌又有各自的專一性，與棲瘤胃普雷沃菌（P. ruminicola）相比，布氏普雷沃菌（P.bryantii）缺少α-甘露聚糖和β-葡聚糖多糖利用位點(diǎn)，棲瘤胃普雷沃菌（P.ruminicola）和布氏普雷沃菌（P.bryantii）各自不同的菌株間多糖利用位點(diǎn)的分布也有不同（表1）。這與瘤胃生態(tài)位的維系有何關(guān)聯(lián)仍需深入研究。

3.3 瘤胃微生物多糖利用位點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

對多糖利用位點(diǎn)的研究主要集中在基因和基因組水平，而對多糖利用位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和功能的研究相對缺乏，通過多糖利用位點(diǎn)探究微生物互作尚處于起步階段。從基因組信息中預(yù)測多糖利用位點(diǎn)，首先需要將基因與Pfam 數(shù)據(jù)庫中的SusD 蛋白（PF07980、PF12741、PF12771、PF14322）和SusC 蛋白（PF00593、PF07715、PF13715）進(jìn)行比對，在基因中尋找SusC/SusD結(jié)構(gòu)[45]，再在SusC/SusD附近的開放閱讀框內(nèi)尋找CAZymes 或其他蛋白。將預(yù)測出的多糖利用位點(diǎn)和文獻(xiàn)報道的多糖利用位點(diǎn)（http://www.cazy.org/PULDB/）進(jìn)行比較，推測其底物類型。瘤胃可培養(yǎng)微生物的匱乏以及數(shù)據(jù)庫信息的短缺使多糖利用位點(diǎn)的研究落后于人腸道中相關(guān)的研究，但除去微生物宿主的不同，多糖利用位點(diǎn)的研究方法是共通的。

表1 瘤胃中棲瘤胃普雷沃菌和布氏普雷沃菌菌株中的多糖利用位點(diǎn)[40]Table 1 PULs detected in rumen Prevotella ruminicola and Prevotella bryantii strains[40]

對于可培養(yǎng)菌株，可利用推測出的多糖為碳源，配制單一碳源培養(yǎng)基，觀察菌株的生長狀況；或通過構(gòu)建特定基因缺失株，在推測的多糖培養(yǎng)基上觀察菌株的生長狀況來驗證多糖利用位點(diǎn)的功能；并可進(jìn)一步結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、蛋白組測序等，獲得多糖利用位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)信息。在人腸道擬桿菌——橢圓形擬桿菌（B.ovatusATCC 8483）的基因組中預(yù)測含一個編碼β-甘露聚糖酶和α-半乳糖苷酶的多糖利用位點(diǎn)。由β-甘露聚糖親和電泳實驗證實，該多糖利用位點(diǎn)中還包含2個多糖結(jié)合蛋白。以半乳葡甘露聚糖或葡甘露聚糖為底物進(jìn)行單菌及基因敲除菌純培養(yǎng)證實，多糖利用位點(diǎn)在橢圓形擬桿菌（B.ovatus）對半乳甘露聚糖利用中發(fā)揮關(guān)鍵作用[46]。敲除橢圓形擬桿菌（B.ovatus）谷物β-葡聚糖多糖利用位點(diǎn)中的SusD基因，橢圓形擬桿菌（B.ovatus）無法以谷物β-葡聚糖為底物生長，證實了多糖利用位點(diǎn)中SusD的關(guān)鍵作用[47]。

已知作用模式的多糖利用位點(diǎn)可作為研究微生物互作的切入點(diǎn)。TUNCIL等以含混合6種多糖物質(zhì)的培養(yǎng)基分別培養(yǎng)多形擬桿菌（B.thetaiotaomicron）和橢圓形擬桿菌（B.ovatus），結(jié)合底物消耗和基因轉(zhuǎn)錄情況，歸納出這2 株菌對6 種多糖物質(zhì)的不同利用次序，該次序決定了這2 株菌在共培養(yǎng)時以一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)共存[48]。紫菜聚糖多糖利用位點(diǎn)被編碼到一株擬桿菌后，該菌株的豐度可響應(yīng)環(huán)境中紫菜聚糖的劑量變化，使其在不同的群落中都可穩(wěn)定定殖[49]。

從不可培養(yǎng)的微生物中預(yù)測出的多糖利用位點(diǎn)，則需要經(jīng)異源表達(dá)、純化、蛋白特性分析來探究各組分的功能[22]。探究多糖利用位點(diǎn)中CAZymes的底物特異性和酶學(xué)互作，是了解多糖利用位點(diǎn)作用機(jī)制的前提，多糖利用位點(diǎn)中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[50]、結(jié)合蛋白[51]和調(diào)控因子[52]的功能分析，是進(jìn)一步掌握多糖利用位點(diǎn)作用模式的基礎(chǔ)。目前，對瘤胃多糖利用位點(diǎn)的研究大多停留在預(yù)測水平，進(jìn)一步利用分子生物學(xué)等手段研究其功能將成為研究熱點(diǎn)。

4 小結(jié)與展望

與人腸道、海洋、土壤等環(huán)境相比，瘤胃有更強(qiáng)的纖維降解能力。通過宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白組學(xué)等多種技術(shù)，研究人員在DNA、RNA和蛋白質(zhì)3個層面探究了瘤胃內(nèi)微生物群落組成及其發(fā)揮的功能，尤其是瘤胃內(nèi)的纖維降解機(jī)制。但相對而言，此類研究仍然落后于人腸道微生物中相關(guān)的研究。待完善的數(shù)據(jù)庫，較難分離培養(yǎng)的瘤胃微生物，微生物錯綜復(fù)雜的代謝功能和調(diào)控規(guī)律，都是今后研究中需要逐一突破的難關(guān)。

在一個復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境中，微生物間的互作是很難被預(yù)測的，研究者只能在體外培養(yǎng)單個菌株或構(gòu)建小的微生物群落，以小窺大，探究微生物互作。瘤胃中存在較多的多糖利用位點(diǎn)，以及反芻動物日糧中較多的纖維類物質(zhì)，暗示著不同瘤胃菌群多糖利用位點(diǎn)的差異可能是日糧調(diào)節(jié)腸道菌群的機(jī)制之一。就瘤胃微生物群落和單菌層面而言，不同多糖利用位點(diǎn)的協(xié)調(diào)合作也就是瘤胃生態(tài)環(huán)境中不同微生物的協(xié)調(diào)合作，探究多糖利用位點(diǎn)的分布、表達(dá)情況及互作機(jī)制，有助于對瘤胃微生態(tài)的調(diào)控和新的微生物工程菌種及酶資源的挖掘。