陳禹含，李巧慧，李 巖，蘇 倩，郭歡新，段勃帆，孟祥晨

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，乳品科學(xué)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030）

母乳能為嬰兒提供早期成長所需的所有營養(yǎng)物質(zhì)以及有助于嬰兒健康的許多生物活性物質(zhì)，如母乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）、生物活性肽、免疫球蛋白、細胞因子、核苷酸、脂肪酸和活細胞等[1-3]。一些生物活性分子由乳腺上皮細胞產(chǎn)生和分泌，一些則由母乳中的細胞產(chǎn)生，而另一些則來自母體血清[4]。研究表明，母乳微生物群、免疫因子（如分泌型免疫球蛋白A、抗菌肽和蛋白質(zhì)）和HMOs可以塑造嬰兒腸道菌群，促進免疫系統(tǒng)發(fā)育，增強腸道屏障，維持小腸和大腸中超過百萬億細菌的定植[5-6]。

HMOs在乳腺中合成，是母乳中最豐富的生物活性分子，也是母乳中第三大固體成分[7]。在初乳中HMOs的質(zhì)量濃度約為20～25 g/L，在成熟乳中約為5～20 g/L。目前已知母乳中含有超過200 種的HMOs，其他哺乳動物的乳汁均達不到與母乳相同的HMOs豐度[8]。由于大多數(shù)HMOs對嬰兒胃腸道中的胃酸和消化酶有抗性，所以HMOs可以直接到達嬰兒結(jié)腸，影響嬰兒腸道上皮細胞和免疫細胞反應(yīng)，也可以通過改變宿主腸道菌群組成和產(chǎn)生代謝產(chǎn)物間接地調(diào)節(jié)嬰兒的免疫系統(tǒng)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，配方奶粉喂養(yǎng)的嬰兒因缺乏HMOs而比母乳喂養(yǎng)的嬰兒更容易患有一些兒童疾病，包括壞死性小腸結(jié)腸炎（necrotizing enterocolitis，NEC）、腸易激綜合癥、肥胖、過敏和濕疹[9-10]。近年來，在配方奶粉中添加HMOs成為熱點。一些母乳中大量存在的HMOs已被廣泛研究并可以通過基因工程技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

低物種多樣性和高變異性是嬰兒腸道菌群的主要特征。在出生后的前6 個月，嬰兒腸道菌群結(jié)構(gòu)單一、種類少。屬于放線菌門的厭氧革蘭氏陽性菌——雙歧桿菌，是利用HMOs的主要微生物，除此之外只有少數(shù)擬桿菌和乳桿菌可利用HMOs。嬰兒腸道內(nèi)的雙歧桿菌已進化出一系列復(fù)雜的代謝途徑利用HMOs，要完全降解具有不同分子結(jié)構(gòu)的HMOs，需要一系列的糖苷酶和轉(zhuǎn)運蛋白，這些酶和轉(zhuǎn)運蛋白對吸收、代謝和利用HMOs至關(guān)重要。代謝HMOs的相關(guān)基因幾乎只存在于嬰兒腸道相關(guān)的細菌基因組中，而在其他環(huán)境的菌群基因組中幾乎檢測不到[11]。

雙歧桿菌占母乳喂養(yǎng)嬰兒腸道菌群的90%[11]，在母乳喂養(yǎng)嬰兒的腸道菌群中占主導(dǎo)地位，雖然HMOs主要被雙歧桿菌利用，但這種能力并不是所有雙歧桿菌都具有。兩歧雙歧桿菌（Bifidobacteriumbifidum）和長雙歧桿菌嬰兒亞種（B.longumsubsp.infantis）是利用HMOs種類最多的兩個菌種，這兩個（亞）菌種可以利用由不同基團修飾的不同結(jié)構(gòu)的HMOs[12]。而長雙歧桿菌長亞種（B.longumsubsp.longum）和短雙歧桿菌（B.breve）只能利用乳糖-N-四糖（lacto-N-tetraose，LNT）、乳糖-N-二糖（lacto-N-biose，LNB）和乳糖-N-新四糖（lacto-N-neotetraose，LNnT），無法利用被巖藻糖或唾液酸修飾的HMOs[13]。研究表明，B.longumsubsp.infantis是HMOs的最活躍利用者，能夠消耗總HMOs的64%，而其他菌種的利用率只在23%～43%[14]。并且B.longumsubsp.infantis優(yōu)先消耗HMOs而不是其他碳水化合物[15]，能夠在以HMOs為唯一碳源的培養(yǎng)基上良好生長。本文針對B.longumsubsp.infantis能夠廣泛利用HMOs這一優(yōu)勢，綜述其代謝HMOs所需的糖苷酶及轉(zhuǎn)運體，根據(jù)其作用位點關(guān)聯(lián)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的HMOs，描述B.longumsubsp.infantis對HMOs的利用方式，并總結(jié)B.longumsubsp.infantis代謝HMOs對嬰兒產(chǎn)生的益生作用，以期為探究HMOs與腸道菌群的互作機制以及該機制對嬰兒腸道發(fā)育和成熟的作用奠定基礎(chǔ)。

1 HMOs的組成和結(jié)構(gòu)

HMOs的組分及豐度受母體影響極大，不同地域、不同個體以及同一個體的不同哺乳期之間都有差異[7]。HMOs分子結(jié)構(gòu)和豐度取決于乳腺細胞中α-1,2-巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶（α-1,2-fucosyltransferase，F(xiàn)UT2）和α-1,3/4-巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶（α-1,3/4-fucosyltransferase，F(xiàn)UT3）的表達[16]。FUT2負責(zé)通過α-1,2鍵連接L-巖藻糖（L-fucose，F(xiàn)uc）和D-半乳糖（D-galactose，Gal）末端，形成H-抗原雙糖結(jié)構(gòu)（fucal-2Galβ1-4GlcNAc-R）結(jié)構(gòu)或H-抗原結(jié)構(gòu)[17]。FUT3通過1型鏈上的α-1,4鍵連接Fuc和N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosaminide，GlcNAc）。巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶基因的表達由分泌基因（Secretor，Se）和路易斯（Lewis，Le）血型特征決定[18]。FUT2和FUT3分別由Se基因和Le基因編碼。根據(jù)Se和Le基因的表達，母乳分泌可分為4 種類型：FUT2與FUT3均活躍（Se+Le+）、FUT2活躍但FUT3不活躍（Se+Le-）、FUT3活躍但FUT2不活躍（Se-Le+）以及FUT2與FUT3均不活躍（Se-Le-）。因此，Se陽性的母親乳汁中2’-巖藻糖基乳糖（2’-fucosyllactose，2’-FL）含量豐富。相反，Se陰性母親的乳汁不含有α-1,2-巖藻糖基化的HMOs；Le陰性的女性不分泌含有α-1,4巖藻糖基化的HMOs，如乳糖-N-巖藻五糖II（lacto-N-fucopentaose II，LNFP II）。

HMOs一般由5 種糖基組成，分別為D-葡萄糖（D-glucose，Glc）、Gal、GlcNAc、Fuc以及唾液酸（N-乙酰神經(jīng)氨酸（N-acetylneuraminic acid，NeuAc/Neu5Ac））（圖1A），聚合度（degree of polymerization，DP）在3～32之間[1]。HMOs的核心結(jié)構(gòu)由Gal和Glc組成（即乳糖結(jié)構(gòu)），常被Fuc、GlcNAc和NeuAc修飾[19]。如果HMOs的結(jié)構(gòu)中含有NeuAc，則被定義為酸性低聚糖。HMOs的主鏈可以被唾液酸化或巖藻糖基化，形成三糖結(jié)構(gòu)，如2’-FL，3-巖藻糖基乳糖（3-fucosyllactose，3-FL），3’-唾液酸乳糖（3’-sialyllactose，3’-SL）和6’-唾液酸乳糖（6’-sialyllactose，6’-SL）（圖1B、C）。HMOs的還原末端乳糖基可通過由β-1,3或β-1,6鍵連接的乳糖-N-二糖（Galβ1-3GlcNAc-，LNB，I型鏈）或N-乙酰乳糖胺（N-acetyl-D-lactosamine，Galβ1-4GlcNAc-，LacNAc，II型鏈）進行延伸。含II型鏈HMOs的含量比I型鏈少。I型或II型鏈可以通過β-1,4糖苷鍵進行組合，形成LNT和LNnT，或是在不同環(huán)節(jié)中通過α-1,2、α-1,3或α-1,4鍵被巖藻糖基化，進而通過α-2,3或α-2,6鍵唾液酸化，從而形成各種結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體[20]，如乳糖-N-巖藻五糖（lacto-Nfucopentaose，LNFP）I、LNFP II、LNFP III、乳糖-N-二巖藻六糖（lacto-N-difucohexaoses，LNDFH）I、LNDFH II、唾液酸乳糖-N-四糖（LS-tetrasaccharide，LST）a、LST b和二唾液酸乳糖-N-四糖（disialyllacto-Ntetraose，DSLNT）（圖1D）。乳糖還可以通過β-1,3、β-1,4和β-1,6鍵連接半乳糖殘基，形成半乳糖基乳糖（galactosyllactose，GL），如3’-半乳糖基乳糖（3’-GL）、4’-半乳糖基乳糖（4’-GL）和6’-半乳糖基乳糖（6’-GL）（圖1E）。GL通常存在于人類初乳中，成熟乳中含量很低。通過β-1,6鍵連接形成有分支結(jié)構(gòu)的HMOs被稱為iso-HMO，沒有分支的線性結(jié)構(gòu)HMOs被稱為para-HMO[20]（圖1G）。僅含Glc、Gal和GlcNAc的中性核心結(jié)構(gòu)HMOs占總HMOs的42%～55%，中性巖藻糖基化HMOs占總HMOs的35%～50%，唾液酸化HMOs占總HMOs的12%～14%[21-22]。

圖1 HMOs的組成和結(jié)構(gòu)[1,11]Fig.1 Composition and structure of HMOs[1,11]

目前，仍有許多種結(jié)構(gòu)未知的HMOs，開發(fā)利用更先進的新型分析技術(shù)，如基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜和多維核磁共振光譜等，將更有助于HMOs結(jié)構(gòu)的分析和測定[23-24]。糖基的連接方式擴展了HMOs的多樣性，也造成了利用HMOs難度增加，僅有能夠表達相關(guān)糖苷酶及轉(zhuǎn)運體的細菌才能代謝HMOs。

2 B.infantis對HMOs的利用方式

雙歧桿菌是嬰兒腸道菌群中代謝HMOs最活躍的物種之一。經(jīng)鑒定，該屬菌株中存在許多能夠表達與代謝HMOs相關(guān)糖苷酶和轉(zhuǎn)運蛋白的基因。雙歧桿菌已經(jīng)進化出兩種利用HMOs的方式：一種依賴轉(zhuǎn)運蛋白（細胞內(nèi)消化）；另一種依賴胞外糖苷酶（細胞外消化）[11]。B.bifidum和一些B.longumsubsp.longum菌株缺乏完整的HMOs轉(zhuǎn)運蛋白，因此利用胞外糖苷酶在細胞外分解HMOs獲取單糖或雙糖，其余HMOs降解物被轉(zhuǎn)運蛋白運輸進細胞內(nèi)進一步降解，而B.longumsubsp.infantis會通過特定的轉(zhuǎn)運蛋白將完整的HMOs運輸至細胞內(nèi)降解[11,25-29]（表1）。2008年，隨著B.longumsubsp.infantis標(biāo)準(zhǔn)菌株ATCC 15697完整基因組序列的公開，在該菌株中發(fā)現(xiàn)了幾個能夠反映B.longumsubsp.infantis對嬰兒宿主潛在適應(yīng)性的基因，包括與HMOs分解代謝相關(guān)的基因簇、細胞外溶質(zhì)結(jié)合蛋白和預(yù)測對HMOs有活性的滲透酶[30]。表2列舉了B.longumsubsp.infantis含有的利用HMOs的糖苷酶和轉(zhuǎn)運體基因。

表1 不同雙歧桿菌利用HMOs的方式Table 1 Ways of different bifidobacteria to utilize HMOs

表2 與B.longum subsp.longum代謝HMOs相關(guān)的酶和轉(zhuǎn)運蛋白Table 2 Enzymes and transporters related to HMO metabolism in B.longum subsp.longum

2.1 參與利用HMOs的酶

為驅(qū)動雙歧支路，雙歧桿菌進化出了幾種對HMOs具有高特異性的糖苷酶和磷酸化酶。研究人員通過對所有已公開的B.longumsubsp.infantis全基因組序列進行分析，挖掘出了多種參與利用HMOs的糖苷酶基因，這些與HMOs代謝有關(guān)的基因家族高度保守，涵蓋了水解HMOs結(jié)構(gòu)上幾乎全部連接鍵的功能[31]。

2.1.1 巖藻糖苷酶

負責(zé)去除HMOs中巖藻糖的酶被命名為巖藻糖苷酶，共有兩種：1,2-α-L-巖藻糖苷酶和1,3/4-α-L-巖藻糖苷酶。1,2-α-L-巖藻糖苷酶對Fucα1-2Gal-O-R高度敏感[33]，因此能靈敏識別2′-FL和LNFP I。此外，該酶還對LDFT、LNDFH I和3-FL也有一定的活性[34]。1,3/4-α-L-巖藻糖苷酶的獨特之處是它需要一個支鏈半乳糖殘基水解巖藻糖苷鍵。該酶采用了由半乳糖殘基與活性位點結(jié)合而觸發(fā)的誘導(dǎo)擬合催化機制[11]，可作用于LNFP II和LNFP III。

2.1.2 唾液酸酶（neuraminate exonuclease，NanH2）

NanH2是將NeuAc從核心結(jié)構(gòu)中分離出來的酶。NanH2作用于唾液酸化HMOs中的α-2,3和α-2,6糖苷鍵。B.longumsubsp.infantis產(chǎn)生的NanH2對這兩種鍵的水解能力幾乎相同[26]。研究表明，B.longumsubsp.infantis可以進一步代謝酶解產(chǎn)生的Fuc和NeuAC[35]。

2.1.3β-半乳糖苷酶

經(jīng)巖藻糖苷酶和NanH2去除修飾物后，可以水解HMOs的核心結(jié)構(gòu)。對Gal起作用的酶有兩種。通過搜索雙歧桿菌的基因組，Yoshida等[27]發(fā)現(xiàn)了LNTβ-1,3-半乳糖苷酶，它可以特異性地將LNT水解為Gal和LNTri II，對LNT活性最強，其次是Lac、LNB和LNnT。此外，B.longumsubsp.infantis還能產(chǎn)生β-1,4-半乳糖苷酶[36]，HMOs中的Lac和II型鏈（Galβ1-4GlcNAc-O-R）是β-1,4-半乳糖苷酶的敏感靶點。

2.1.4β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶

B.longumsubsp.infantisATCC 15697產(chǎn)生的3 種β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（Blon_0459、Blon_0732和Blon_2355）對LNTri II的水解能力很強。研究證明Blon_0459和Blon_0732可以利用去掉末端Gal殘基后的LNH，且對LNH中β-1,6鍵連接的GlcNAc殘基也有活性[28]。

2.1.5 GNB/LNB磷酸化酶

GNB/LNB 磷酸化酶是一種胞內(nèi)酶，能夠可逆地磷酸化GNB/LNB，生成α-半乳糖1-磷酸（α-Dgalactose1-phosphate，Gal1P）和N-乙酰半乳糖胺（N-acetylgalactosamine，GalNAc）/GlcNAc[11]。在相同底物的GNB/LNB代謝過程中，磷酸化生成的Gal1P無需消耗ATP就可以轉(zhuǎn)化為果糖6-磷酸，這可以節(jié)省ATP的消耗[37]。Sakanaka等[11]對嬰兒腸道相關(guān)雙歧桿菌基因組進行tblastn分析，發(fā)現(xiàn)在B.longumsubsp.infantis中編碼GNB/LNB磷酸化酶的基因流行率大于75%。

2.2 相關(guān)轉(zhuǎn)運體

僅有糖降解基因的存在，并不能保證雙歧桿菌在HMOs存在時的生長能力。如，干酪乳桿菌BL23（LactobacilluscaseiBL23）含有1 種可以水解2′-FL的α-巖藻糖苷酶基因，但它不能在2′-FL上生長[38]，原因可能是L.caseiBL23缺乏2′-FL跨膜轉(zhuǎn)運蛋白[15]。

B.longumsubsp.infantis通過幾種SBPs的介導(dǎo)，可以將完整的HMOs分子導(dǎo)入細胞內(nèi)。B.longumsubsp.infantisATCC 15697是一個具有強大HMOs利用能力的典型菌株，該菌株具有編碼幾種細胞內(nèi)HMOs相關(guān)糖苷酶和用于腺苷三磷酸結(jié)合盒轉(zhuǎn)運蛋白（ATP-binding cassette transporter，ABC）的SBPs的基因簇。Ward等[39]采用聚糖陣列通過對B.longumsubsp.infantisATCC 15697基因組SBPs的特異性分析，揭示了該菌株利用HMOs的轉(zhuǎn)運方式。當(dāng)環(huán)境中有HMOs存在時，菌株相關(guān)轉(zhuǎn)運體的基因表達水平提高了數(shù)倍[40]。但相比于對糖苷酶的了解，目前對轉(zhuǎn)運蛋白的探究較為缺乏，只有LNB、FL和LNnT的轉(zhuǎn)運蛋白得到了表征。

2.2.1 GNB/LNB轉(zhuǎn)運體

GNB/LNB轉(zhuǎn)運體負責(zé)轉(zhuǎn)運由乳酸-N-生物酶在細胞外釋放出來的LNB和由α-N-乙酰半乳糖氨酶從黏蛋白O-聚糖釋放出來的GNB[41-42]。目前，對該轉(zhuǎn)運體在B.longumsubsp.infantis中發(fā)揮作用的方式還有待研究。但Sakanaka等[11]進行的tblastn分析結(jié)果表明，B.longumsubsp.infantis中編碼FL2-BP和GNB/LNB-BP的基因存在率高于FL1-BP和NahS。不同于全基因組測序只能在菌株中找到已知利用HMOs的基因的同源性，基因組文庫篩選和轉(zhuǎn)錄組分析不依賴于數(shù)據(jù)庫中已有的特征基因，可以發(fā)現(xiàn)和表征隱含的利用HMOs的基因[13,43]。

2.2.2 FL轉(zhuǎn)運體

FL轉(zhuǎn)運蛋白最早由Garrido[43]和Matsuki[44]等發(fā)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)運體可以將2’-FL、3-FL、LDFT和LNFP I轉(zhuǎn)運進細胞內(nèi)部。B.longumsubsp.infantisATCC 15697擁有兩個同源的FL轉(zhuǎn)運蛋白，其SBPs具有60%的一致性。通過生化和結(jié)構(gòu)分析，明確了這兩個轉(zhuǎn)運蛋白的功能重合，但又不完全相同[29]。Sakanaka等[11]從B.longumsubsp.infantisATCC 15697中鑒定出這兩種巖藻乳糖轉(zhuǎn)運體（FL transporter-1和FL transporter-2），發(fā)現(xiàn)FT-transporter-2可以導(dǎo)入復(fù)雜的HMOs（2’-FL、3-FL、LDFT和LNFP I），而FT-transporter-1負責(zé)轉(zhuǎn)運簡單巖藻糖基化的HMOs（2’-FL和3-FL）。

2.2.3 LNnT轉(zhuǎn)運體

James等[36]通過對在HMOs上生長的細胞轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果進行一系列靶向基因敲除，然后在添加了幾種HMOs的培養(yǎng)基中監(jiān)測突變體的生長情況，結(jié)果顯示NahS（LNnT-BP）是負責(zé)轉(zhuǎn)運LNnT的SBP。

2.3 B.longum subsp.infantis對HMOs的代謝途徑

如圖2所示，B.longumsubsp.infantis將整個HMOs分子通過SBPs運輸?shù)郊毎|(zhì)中，細胞內(nèi)糖苷酶及磷酸化酶參與HMOs的酶解過程，在細胞內(nèi)釋放出單糖[25]。對B.longumsubsp.infantis的蛋白組學(xué)分析表明，這些被降解后形成的單糖通過雙歧支路進入到嬰兒腸道的中樞代謝途徑，最終產(chǎn)生短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）等代謝產(chǎn)物[45]。

圖2 已知B.longum subsp.infantis對HMOs的利用途徑[11]Fig.2 Utilization pathways of HMOs by B.longum subsp.infantis[11]

由于與HMOs代謝相關(guān)的基因簇存在明顯差異，通常HMOs的利用方式和代謝途徑高度依賴于特定的雙歧桿菌種類或菌株，雙歧桿菌的特定種或菌株對特定類型的HMOs利用能力也各不相同[46]。如B.longumsubsp.infantisJCM 1260因利用HMOs的基因簇缺失，所以在HMOs中生長能力較弱[14]。消化結(jié)構(gòu)復(fù)雜的HMOs往往涉及多個基因簇的表達，高度相似的同源序列之間的微小差異也會導(dǎo)致相關(guān)酶和轉(zhuǎn)運體的差異表達[1]。然而，到目前為止，并不是所有參與HMOs降解的基因都已被確認[13]。Lawson等[46]分離出的雙歧桿菌菌株能夠在HMOs上生長，但缺乏利用HMOs的已知基因簇，這表明存在未定性的代謝HMOs的基因。B.longumsubsp.infantis利用HMOs的途徑仍有待探索。

3 B.longum subsp.infantis代謝HMOs產(chǎn)生的有益代謝產(chǎn)物

細菌代謝產(chǎn)物與宿主之間的互作是腸道菌群發(fā)揮益生作用的機制之一。HMOs經(jīng)腸道菌群發(fā)酵可以產(chǎn)生一些潛在的有益代謝產(chǎn)物。當(dāng)HMOs被腸道菌群分解代謝時，核心結(jié)構(gòu)乳糖會隨著修飾基團的水解而釋放，經(jīng)雙歧支路及Leloir半乳糖代謝途徑產(chǎn)生能量并用于生命活動[47]。同時，乳糖經(jīng)雙歧支路還會產(chǎn)生包括SCFAs在內(nèi)的多種有益代謝產(chǎn)物，能夠促進嬰兒健康。被水解下來的各種糖基在胞代謝的途徑至今仍處于推測階段，研究十分有限。

3.1 SCFAs

B.longumsubsp.infantis可發(fā)酵HMOs產(chǎn)生SCFAs等，使腸道處于低pH值環(huán)境，有利于益生菌的生長，抑制潛在的病原體[48]。SCFAs是研究最透徹的代謝產(chǎn)物之一，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。它們通常以高濃度存在于結(jié)腸中，并被腸上皮細胞吸收[1]。SCFAs可以通過調(diào)節(jié)細胞基因表達、分化、增殖和凋亡等過程改變細胞功能，激活G蛋白偶聯(lián)受體，抑制組蛋白去乙酰化酶活性以及其他與缺氧誘導(dǎo)因子穩(wěn)定相關(guān)的信號傳導(dǎo)通路[1]。SCFAs還可以通過增加黏液蛋白的產(chǎn)生和增強腸道細胞水平的屏障功能直接影響腸道健康，同時通過促進富含調(diào)節(jié)性T細胞的腸道相關(guān)淋巴組織群體以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)[48-49]。乙酸和丙酸都被認為可以降低嬰兒哮喘的發(fā)生[50]，丁酸可以通過促進腸上皮細胞產(chǎn)生黏蛋白及改善緊密連接的完整性，進一步維持腸道屏障功能[51]。研究表明，SL和2’-FL在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生不同的SCFAs譜，但SCFAs的總體濃度均有所提高[1]。B.longumsubsp.infantis代謝藻糖基化HMOs產(chǎn)生了甲酸[52]。Perdijk等[53]建立了體外發(fā)酵模型，發(fā)現(xiàn)SL與GOS相比可以大大提高丙酸的濃度。Frese等[54]的研究顯示，補充了B.longumsubsp.infantis的母乳喂養(yǎng)嬰兒糞便中，乳酸、乙酸、丁酸和甲酸的數(shù)量增加。

3.2 芳香氨基酸衍生物

B.longumsubsp.infantis通過芳香乳酸脫氫酶的作用，在嬰兒腸道中產(chǎn)生大量芳香乳酸，如色氨酸衍生的吲哚-3-乳酸（indole-3-lactic acid，ILA）[55]。色氨酸是人體必需氨基酸，一般由膳食蛋白質(zhì)降解產(chǎn)生，小腸可以吸收大部分膳食來源的色氨酸，一小部分可到達結(jié)腸并被腸道菌群分解代謝轉(zhuǎn)化為各種分解代謝物[56]。體外分析證實，與乳糖相比，B.longumsubsp.infantis在HMOs上生長時產(chǎn)生的ILA數(shù)量明顯更多[57]。ILA是一種抗炎分子，可結(jié)合芳香烴受體和羧酸受體，調(diào)節(jié)單核細胞對脂多糖的反應(yīng)，并阻斷炎癥細胞因子如白細胞介素-8的轉(zhuǎn)錄[55]。ILA途徑可以維持新生兒免疫的炎癥/抗炎平衡，阻止炎癥細胞因子的產(chǎn)生，減輕炎癥損傷[58]。這些發(fā)現(xiàn)表明B.longumsubsp.infantis介導(dǎo)的氨基酸代謝途徑對早期免疫發(fā)育至關(guān)重要。

3.3 1,2-丙二醇（1,2-propanediol，1,2-PD）

巖藻糖基化的HMOs被轉(zhuǎn)運進B.longumsubsp.infantis細胞后分解為L-巖藻糖，隨后經(jīng)一系列酶的作用，被轉(zhuǎn)化為磷酸二羥丙酮和乳醛，磷酸二羥丙酮隨后可以通過雙歧支路進入中樞糖酵解途徑，而乳醛在厭氧條件下通過氧化還原酶轉(zhuǎn)化為1,2-PD[59]。研究認為，1,2-PD或許可以作為B.longumsubsp.infantis代謝巖藻糖基化HMOs的標(biāo)志物，并且1,2-PD可以通過B細胞受體介導(dǎo)的信號通路促進B細胞的活化[59]。

4 B.longum subsp.infantis代謝HMOs產(chǎn)生的益生作用

由于母乳喂養(yǎng)不足，嬰兒早期腸道菌群容易失調(diào)，從而導(dǎo)致一些免疫介導(dǎo)的疾病發(fā)生。通過研究發(fā)現(xiàn)，給母乳喂養(yǎng)的嬰兒補充B.longumsubsp.infantis可以促進腸道的健康發(fā)育[54,60]，B.longumsubsp.infantis可以通過多種方式影響嬰兒腸道。但目前對HMOs介導(dǎo)的腸道菌群與嬰兒腸道互作知之甚少。

4.1 改善腸道菌群結(jié)構(gòu)

由于缺乏必要的酶和轉(zhuǎn)運載體，大部分腸道細菌無法消化HMOs，這為專門消耗HMOs的有益細菌的生長提供了選擇性的營養(yǎng)優(yōu)勢。作為代謝HMOs的主要微生物，B.longumsubsp.infantis已經(jīng)進化出復(fù)雜的代謝HMOs途徑，在定植能力上比其他腸道細菌更具有競爭優(yōu)勢。例如，與未補充B.longumsubsp.infantis母乳喂養(yǎng)的嬰兒糞便相比，補充了B.longumsubsp.infantisEVC001組糞便樣品表現(xiàn)出革蘭氏陰性菌和擬桿菌豐度降低的趨勢，并且內(nèi)毒素水平降低了4 倍[54]。這表明B.longumsubsp.infantis通過占據(jù)腸道生態(tài)位點及防止病原體侵入腸道，在腸道免疫功能中起到關(guān)鍵作用[59]。此外，B.longumsubsp.infantis代謝HMOs產(chǎn)生的如SCFAs等代謝產(chǎn)物，可以通過交叉喂養(yǎng)作用間接刺激其他有益菌的生長，改善腸道菌群結(jié)構(gòu)。

4.2 緩解免疫介導(dǎo)性疾病

腸道菌群及其代謝產(chǎn)物通過多種途徑調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，對宿主的免疫穩(wěn)態(tài)起重要作用[61]。通常情況下腸道菌群介導(dǎo)的免疫平衡狀態(tài)既能抵抗外來細菌又能保持自身耐受性，當(dāng)腸道菌群發(fā)生改變時，可能會導(dǎo)致免疫反應(yīng)失調(diào)，進而引起自身免疫性疾病。一項研究表明，在HMOs中生長的B.longumsubsp.infantis可以通過T細胞刺激腸道上皮細胞的活性，促進Caco-2細胞中抗炎細胞因子IL-10以及Caco-2細胞和HT-29細胞中黏附分子和緊密連接蛋白的表達[62]。與在葡萄糖和乳糖上生長的細胞相比，HMOs 3-FL促進了B.longumsubsp.infantisATCC 15697在HT-29和Caco-2細胞系上的黏附[63]。具有較強的黏附性是菌株在腸道內(nèi)定植并發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用的重要前提。B.longumsubsp.infantis通過利用HMOs產(chǎn)生代謝物，在宿主體內(nèi)傳遞信號至免疫細胞，如吞噬細胞和T、B淋巴細胞等，對宿主免疫反應(yīng)進行調(diào)節(jié)[64]。這對免疫介導(dǎo)性疾病起到關(guān)鍵作用。

Huda等[65]的研究表明B.longumsubsp.infantis可能通過增強免疫記憶提高對病毒疫苗的保護作用，也有研究顯示LNT增加了新生兒輪狀病毒菌株的感染性[66]。Masi等[67]發(fā)現(xiàn)DSLNT與降低未滿月嬰兒患壞死性小腸炎的幾率有關(guān)。B.longumsubsp.infantis可以對炎癥因子和抗菌物質(zhì)的表達進行調(diào)控，并通過降低腸道屏障通透性及提高緊密連接蛋白的表達以降低NEC的發(fā)病率[68]。Seppo等[69]的研究表明，在腸道菌群中含高水平B.longumsubsp.infantis的嬰兒患特應(yīng)性疾病的概率更低。Henrick等[70]發(fā)現(xiàn)B.longumsubsp.infantisEVC001能夠通過上調(diào)免疫調(diào)節(jié)因子——半乳糖凝集素-1以減少腸道中由輔助型T細胞（T helper cell，Th）2和Th17分泌的細胞因子，從而緩解母乳喂養(yǎng)嬰兒全身性炎癥和免疫失衡。

5 結(jié)語

HMOs的組成遠比其他哺乳動物乳汁中的低聚糖種類更豐富、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。B.longumsubsp.infantis已進化出利用不同HMOs的獨特方式維持腸道微生物群的平衡。已知其通過多種特異性糖苷酶與轉(zhuǎn)運體將HMOs轉(zhuǎn)運至胞內(nèi)水解，并通過雙歧支路將水解后的單糖運送至中樞代謝途徑，但仍有許多與代謝HMOs相關(guān)的功能性基因沒有被發(fā)掘。B.longumsubsp.infantis通過利用HMOs產(chǎn)生有益代謝產(chǎn)物、改善腸道菌群結(jié)構(gòu)以及介導(dǎo)免疫性疾病，從而促進嬰兒腸道發(fā)育、維持腸道健康。然而，對代謝物的研究大多聚焦在SCFAs，并未闡明B.longumsubsp.infantis代謝不同HMOs的潛在標(biāo)志物及代謝物中如氨基酸衍生物等其他發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用的特定分子。

由于母乳資源的特殊性，提取具有特定分子結(jié)構(gòu)的HMOs并將其應(yīng)用于嬰幼兒配方奶粉始終是一個難題。近年來，通過細胞工程、化學(xué)酶法和化學(xué)合成等方法，2’-FL、3’-SL、6’-SL、LNT、LNnT和雙巖藻糖基乳糖的工業(yè)化生產(chǎn)取得了重大技術(shù)突破。在嬰兒食品中補充天然提取或人工合成的HMOs化合物已經(jīng)得到美國、歐盟、澳大利亞和其他地區(qū)監(jiān)管機構(gòu)的批準(zhǔn)[71]。隨著技術(shù)的提高，更多的HMOs將可能被用于工業(yè)化生產(chǎn)?；蚪M篩選技術(shù)的快速進步擴大了篩選利用HMOs基因的范圍，更有助于全面認識HMOs的代謝過程。目前，已開展將HMOs作為益生元加入到嬰兒配方奶粉或?qū)㈦p歧桿菌與HMOs作為合生元一起加入到各種飲料中的研究。未來，仍需深入挖掘利用HMOs的基因，綜合評估嬰兒腸道內(nèi)雙歧桿菌的益生特性，通過基因組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和糖組學(xué)等多種技術(shù)進一步研究雙歧桿菌代謝HMOs的分子機制，探究嬰兒腸道菌群與HMOs的互作機制，并通過體內(nèi)外實驗進行驗證。