NAT COMMUN ∣ 分层糖酵解途径控制人肠道拟杆菌中的碳水化合物利用调节因子
文献信息：
作者：Seth G. Kabonick, Kamalesh Verma, Jennifer L. Modesto, Victoria H. Pearce, Kailyn M. Winokur, Eduardo A. Groisman, Guy E. Townsend
发表时间：14 May 2025
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59704-3
Nature Communications 影响因子：16.6
背景介绍
人类的饮食选择深刻影响着肠道微生物组的构成与功能。在工业化地区，人们常摄入大量超加工食品中的葡萄糖和果糖，过量的简单糖分超出小肠吸收能力，进而抵达结肠并被肠道微生物利用，导致肠道菌群失衡，增加微生物相关疾病风险。
拟杆菌属作为肠道细菌中的优势菌门，其碳水化合物利用调节器（Cur）是一个关键转录因子，它控制着碳水化合物利用、宿主免疫调节以及肠道定植等重要过程。然而，简单糖分可抑制Cur活性，扰乱拟杆菌属的适应性，减少其对宿主有益的代谢产物。研究人员发现，在两种拟杆菌属物种中，葡萄糖或果糖抑制Cur活性需要ATP依赖的果糖-1,6-双磷酸（FBP）合成，但由于存在必需的焦磷酸（PPi）依赖酶，FBP合成并非生长所必需。进一步研究表明，ATP依赖的FBP合成在肠道中对Cur的调控起着关键作用，但在cur缺失时并不有助于细菌的适应性，表明PPi足以驱动这些细菌中的糖酵解。
总体而言，该研究揭示了富含简单糖分的饮食如何通过抑制Cur活性，破坏拟杆菌属的适应性，进而影响宿主健康。
图文解读
图1 | Cur活性的生物发光转录报告
a、b 在以（a）岩藻糖或（b）乙酰葡萄糖胺为唯一碳源的培养基中培养的野生型 Bt 菌株，分别携带 P-fusA2（黑色）或 P-Δ22 bp（蓝色）的生物发光强度，相对于携带无启动子的 pBolux 质粒的同源菌株的测量值进行了标准化。
c 在以果糖为唯一碳源的培养基中培养的野生型 Bt 菌株，分别携带 P-fusA2（黑色）或 P-Δ22 bp（蓝色）以及携带 P-fusA2 的 Δcur Bt 菌株（红色）的标准化生物发光强度。
d 在以 PMOG 为唯一碳源的培养基中培养的野生型 Bt 菌株，分别携带 P-fusA2（黑色）或与 0.1%（橙色）、0.2%（紫色）或 0.5%（绿色）果糖组合的标准化生物发光强度。
对于（a–d），n = 8 个生物重复，误差为匹配颜色阴影中的标准误。
图2 | 果糖和葡萄糖需要磷酸化才能抑制Cur
a ΔsensorPUL22携带 P-fusA2 在含有 PMOG（黑色）、PMOG 和果糖（红色）或 P-MOG 和葡萄糖（蓝色）的培养基中的标准化生物发光强度。
b 野生型、ΔsensorPUL22和 ΔfrkPUL22在以 PMOG 为唯一碳源的培养基中培养，添加 0.2% 葡萄糖（左侧）10 分钟后或添加 0.2% 果糖（右侧）60 分钟后，fusA2 转录本数量的倍数变化。
c 野生型或 ΔsensorPUL22在含有 PMOG 的培养基中添加 0.2% 果糖 60 分钟后，frkPUL22转录本数量的倍数变化。
d 纯化 FrkPUL22蛋白的果糖激酶活性。
e 野生型或 ΔfrkPUL22在以果糖为唯一碳源的最小培养基中的生长情况。
f、g （f）ΔfrkPUL22 或（g）Δglk 携带 P-fusA2 在含有 PMOG（黑色）作为唯一碳源的培养基中或 PMOG 与果糖（红色）或葡萄糖（蓝色）等量混合的培养基中的标准化生物发光强度。
h Δglk 在以 PMOG 为唯一碳源的培养基中培养，添加 0.2% 葡萄糖 10 分钟后或添加果糖 60 分钟后，fusA2（左侧）和 chbPUL80（右侧）转录本数量的倍数变化。
对于（a, e–g），n = 8 个生物重复；误差为匹配颜色阴影中的标准误。对于（b, c, h），n = 6 个生物重复；误差为标准误。对于（d），n = 4 个技术重复；误差为标准误。P 值通过双因素方差分析和 Fisher 最小显著差检验计算，* 表示值 < 0.05，** <0.01，*** <0.001。源
图3 | Bt 中不同酶类合成 FBP
a Bt 中糖酵解途径的示意图。
b、c 纯化 PfkA（绿色圆圈）、PfkB（紫色方块）、PfkC（白色三角形）或 Pfp（黑色菱形）在反应中分别以（b）ATP 或（c）PPi 作为磷酸供体的酶动力学。
d 在增加 PPi 量的情况下 PfkA 的活性。
e 野生型 Bt 在以果糖或 PMOG 为唯一碳源的条件下生长时全细胞裂解液中的 PPi 量。
对于（a）中的缩写如下：Glu 葡萄糖，Fru 果糖，G6P 葡萄糖-6P，F6P 果糖-6P，FBP 果糖双磷酸，PEP 磷酸烯醇式丙酮酸，ATP 三磷酸腺苷，PPi 焦磷酸，Pfk 磷酸果糖激酶，Pfp 磷酸果糖磷酸转移酶，Pgi 磷酸葡萄糖异构酶，Glk 葡萄糖激酶，Frk 果糖激酶。
对于（b–d），n = 4 个技术重复；误差为标准误。
对于（e），n = 4 个生物重复；误差为标准误；P 值通过单因素方差分析和 Fisher 最小显著差检验计算，*** 表示值 < 0.001。源数据文件中提供了确切的 P 值。
图4 | ATP 依赖的 FBP 产生对于抑制Cur是必需的，但对于生长并非必需
a 野生型（黑色）、ΔpfkA（绿色）、ΔpfkB（紫色）或 ΔpfkAB（蓝色）在以果糖为唯一碳源的最小培养基中的生长情况。
b 从野生型、ΔpfkA、ΔpfkB 或 ΔpfkAB 的全细胞裂解液中测量的 FBP 合成量。
c 在葡萄糖、果糖、PMOG、含葡萄糖的 PMOG 或含果糖的 PMOG 条件下，ΔpfkA、ΔpfkB 或 ΔpfkAB 的稳态糖酵解中间体的 Log2 倍数变化。
d 野生型（黑色）、ΔpfkA（绿色）、ΔpfkB（紫色）、ΔpfkAB（蓝色）或 ΔpfkA Δcur（红色）携带 P-fusA2 在含有等量 PMOG 和果糖的最小培养基中的生物发光强度。
e 相对于野生型 Bt，ΔpfkA、ΔpfkB 或 ΔpfkAB 在以果糖为唯一碳源的最小培养基中培养时，fusA2、chbPUL80 和 fucI 转录本数量的倍数变化。
f 在以葡萄糖为唯一碳源的条件下，野生型、ΔpfkA、Δcur 和 ΔpfkA Δcur 携带空载体（nbu）或互补质粒时的 fusA2 转录本数量。
对于（c）中的缩写如下：G1P 葡萄糖-1P，G6P 葡萄糖-6P，FBP 果糖双磷酸，DHAP 二羟丙酮-P，G3P 3-磷酸甘油酸，G2P 2-磷酸甘油酸，PEP 磷酸烯醇式丙酮酸，PYR 丙酮酸，ATP 三磷酸腺苷，ADP 二磷酸腺苷，NAD 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。
对于（a, d），n = 8 个生物重复；误差为匹配颜色阴影中的标准误。
对于（b），n = 6 个生物重复；误差为标准误。
对于（e, f），n = 6 个生物重复；误差为标准误。
对于（b, e），P 值通过双因素方差分析和 Fisher 最小显著差检验计算，* 表示值 < 0.05，** <0.01，*** <0.001。
对于（f），P 值通过单因素方差分析和 Fisher 最小显著差检验计算，*** 表示值 < 0.001。
源数据文件中提供了确切的 P 值。
图5 | ATP 依赖的 FBP 产生通过控制Cur来维持肠道适应性
a ΔpfkA 与等量的野生型 Bt 共同引入无菌小鼠中，在喂食标准多糖丰富饲料（黑色方块，n = 10 个生物重复）或富含糖的饲料（粉色方块，n = 8 个生物重复）时的竞争适应性。
b ΔpfkA Δcur 与等量的 Δcur 共同引入无菌小鼠中，在喂食标准多糖丰富饲料（黑色圆圈，n = 10 个生物重复）或富含糖的饲料（粉色圆圈，n = 4 个生物重复）时的竞争适应性。
对于所有面板，误差线表示标准误。P 值通过双因素方差分析和 Bonferroni 校正计算，* 表示值 < 0.05，** <0.01，*** <0.001。源数据文件中提供了确切的 P 值。
图6 | Bf-pfkA 对葡萄糖和果糖介导的Cur抑制以及 B. fragilis 中 ATP 依赖的 FBP 合成是必需的
a、b 野生型 Bf（黑色）、ΔBf-pfkA（绿色）、ΔBf-cur（红色）或 ΔBf-pfkA ΔBf-cur（蓝色）携带 P-Bf-fusA2 在含有等量 PMOG 和（a）葡萄糖或（b）果糖混合物的培养基中的生物发光强度。
c 以 ATP 作为磷酸供体时，从野生型或 ΔBf-pfkA 的全细胞裂解液中测得的 FBP 合成速率。
对于（a, b），n = 8 个生物重复；误差为匹配颜色阴影中的标准误。
对于（c），n = 5 个生物重复；误差为标准误。
P 值通过非配对 t 检验计算，*** 表示值 < 0.001。源数据文件中提供了确切的 P 值。
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