Cell子刊: 肠道微生物组的交叉喂养

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人体是微生物定植的重要栖息地，拥有约100万亿个微生物共生菌。在被定植的身体部位中，栖息在肠道的微生物或肠道微生物群是迄今为止最丰富和最多样化的，包括细菌以及研究较少的真菌、病毒和其他微生物。肠道微生物组在种群水平上有1000多种不同的细菌物种，在个体中至少有150种。这些微生物对健康有深远影响，这取决于它们编码的代谢能力和与宿主的相互作用。

交叉喂养是指不同物种或微生物菌株之间代谢物作为能量和营养物质的交换。

Cross-feeding in the gut microbiome: Ecology and mechanisms

肠道微生物组的交叉喂养：生态学和机制

Cell Host & MicrobeIF：30.3、2023.4、Andrew L. Goodman

美国耶鲁大学医学院

导读

微生物群落是由从竞争到共生的积极和消极相互作用所塑造的。在哺乳动物肠道及其微生物群落背景下，群落的综合产出对宿主健康有重要影响。交叉喂养(Cross-feeding)，即不同微生物之间代谢物的共享，在建立稳定、抵抗入侵和适应外部扰动的肠道共生群落方面发挥着重要作用。本综述首先探讨了交叉喂养作为一种合作相互作用的生态学和进化意义。然后，调查了从初级发酵者到H2消费者的跨营养级交叉喂养机制，清除营养网络的最终代谢输出。将此分析扩展到氨基酸、维生素和辅因子的交叉喂养。在整个过程中，强调了这些相互作用对每个物种的适应性和宿主健康影响的证据。了解交叉喂养阐明了微生物-微生物和宿主-微生物相互作用的一个重要方面，这些相互作用建立和塑造了人体肠道群落。

1 前言

自然界中的微生物通常不是在恒定条件下的单一培养物中存在，而是形成复杂的群落，承受波动的环境。这些微生物之间的相互作用产生的协同反应通常无法通过单独研究单个物种来预测；竞争和拮抗相互作用限制了一些微生物的生长，而群落的综合代谢活动缓冲了营养胁迫期间的扰动。许多这些生态动力学是由可扩散的代谢物介导的，这些代谢物可以作为营养源、抑制性化合物或信号分子。

人体是微生物定植的重要栖息地，拥有约100万亿个微生物共生菌。在被定植的身体部位中，栖息在肠道的微生物或肠道微生物群是迄今为止最丰富和最多样化的，包括细菌以及研究较少的真菌、病毒和其他微生物。肠道微生物组在种群水平上有1000多种不同的细菌物种，在个体中至少有150种。这些微生物对健康有深远影响，这取决于它们编码的代谢能力和与宿主的相互作用。

交叉喂养是指不同物种或微生物菌株之间代谢物作为能量和营养物质的交换。在肠道微生物组的背景下，宿主和微生物之间也可能发生代谢物共享，但本综述重点关注微生物之间的相互作用。微生物交叉喂养并不是肠道微生物组所特有的，即使不是全部，也存在于许多自然群落中。轶事证据和基因组规模分析都强调了微生物群落间交叉喂养的广度。观察到的高频率交叉喂养与微生物群落的分工一致，这是所有生物系统的共同主题。此外，在群落环境中通过交叉喂养提供的不明确的代谢需求可能解释了我们在无菌培养各种微生物方面的困难。

除了交叉喂养普遍存在之外，了解肠道背景下的交叉喂养对于了解微生物组对宿主健康的影响也很重要。交叉喂养是塑造群落组成、对扰动的响应、群落的综合代谢组以及它们共同影响宿主的相互作用的重要机制。本篇综述将描述交叉喂养相互作用的生态力和后果，然后探讨肠道微生物组中不同营养物质的交叉喂养机制及其对宿主健康的影响。

2 交叉喂养对适应性的影响

为了解交叉喂养在肠道微生物组中的重要性，首先考虑它在塑造群落组成、稳定性和恢复力方面的作用。微生物群落成员(包括肠道微生物组中的成员)与其他微生物相互作用并影响其他微生物的生长，其方式可以根据所涉及成员的适应性进行分类(图1)。在消极方面，竞争(−/−)降低了双方的适应性，而偏害共栖(−/0)损害了一个物种而另一个则不受影响。从积极的一面来看，剥削/寄生/捕食(+/-)使一个成员受益而损害另一个成员，共生(+/0)有利于一个成员而对另一个成员中立，互利共生(+/+)使两个成员都受益。这些相互作用可以发生在种内和种间，尽管交叉喂养通常被认为是种间相互作用。

肠道微生物群的交叉喂养可以是剥削性、共生性或互惠性的(图1A-1D)。当消费者从伴侣生物产生的底物中获益，同时也以损害该生产者的方式改变环境时，例如通过分泌有毒废物，就会发生剥削(图1D)。另一种情况是，当一种微生物以另一种微生物产生的代谢物为食而对后者没有影响时，就会产生共生交叉喂养(图1C)。

当两个物种各自以另一个物种产生的代谢物为食时(图1A)，或当一种微生物以另一种微生物的代谢物为食并以有利于生产者的方式改变环境时，就会发生互惠交叉喂养相互作用(图1B)。这些合作相互作用被称为互养共栖，通常被定义为一种“专性互惠代谢”的形式，在这种形式中，合作伙伴共同利用在特定条件下任何一方都不能单独代谢的底物。互养共栖的典型例子是种间H2转移(下文将详细讨论)。互养共栖的其他例子包括以伴侣微生物产生的代谢物为食。例如，在黑腹果蝇肠道中，Acetobacter pomorum以Lactobacillus plantarum产生的乳酸为食，进而产生L. plantarum生长所需的必需氨基酸。

图1.微生物-微生物相互作用的概览图。微生物-微生物相互作用可以对参与物种的适应性产生积极(+)或消极(−)影响。这些相互作用通常是由扩散性代谢物介导的，如图所示为星形。

3 群落稳定性悖论

了解肠道微生物组中互惠交叉喂养相互作用的程度对于解释其一些核心特征至关重要：物种的多样性和在数年至数十年的过程中维持相同分类群的显著稳定性。在生态学理论中，真正的共生相互作用导致相互作用的物种一起“繁荣与萧条”，从而导致不稳定、易受入侵和生态失调特征影响的低多样性群落。此外，涉及公共产物的合作相互作用，被定义为为了集体利益而释放到细胞外环境中的化合物或功能，容易促进利用这些化合物但不参与其生产的“骗子”，并有可能破坏合作行为。相比之下，竞争性相互作用可以通过降低互利共生的强度并阻止任何一个物种超越群落中的其他物种来稳定微生物群落。不同的研究对肠道微生物组中合作交叉喂养的丰度得出了不同的结论；虽然一些报道称这些群落以合作相互作用为主，但其他报道称竞争是主要的微生物相互作用。这些差异突出了两个关键问题：肠道微生物组中合作交叉喂养的真实频率是多少？以及在存在交叉喂养相互作用的情况下，群落如何保持稳定？

这些问题的答案可能与肠道中的生态力量有关，而还原主义者的实验和计算模型无法测量或预测这些力量。例如，使用物种间的成对测量来测量交叉喂养相互作用的频率，无法解释与其他物种的高阶相互作用，基因含量或代谢通量的计算模型通常无法考虑基因调控，而体外模型通常会忽略宿主因素。此外，微生物之间的相互作用可以是共生的或互惠的，具体取决于环境。例如，同一对交叉喂养菌株可以根据营养可用性表现出一系列相互作用，从高营养条件下的竞争到低营养条件下的专性共生。总体而言，营养物质的添加使互养相互作用中的一个或两个物种从对另一个物种的依赖中解脱出来，将互惠相互作用转变为共生或寄生。这种寄生相互作用可能导致生长较快的物种不受控制地生长，而生长较慢的物种则被排斥在外。

考虑到这些复杂性，关于肠道微生物群中合作如何稳定存在的多种假设考虑了交叉喂养相互作用的背景细节。这些解释集中在防止合作相互作用形成失控的正反馈循环的两种机制上：(1)阻止合作物种的过度生长和(2)削弱合作相互作用的强度，从而抑制物种之间的耦合。阻止合作物种过度生长的机制包括存在竞争性相互作用和宿主介导的微生物生长限制，例如免疫调节。或者，空间结构可以削弱合作交叉喂养的强度，这会增加相互作用伙伴之间的物理距离，并增加菌落之间发生共享的可能性，而不是通过交换共生。功能冗余也可以用多个弱合作相互作用代替单一的强合作相互作用。未来的研究将开始考虑这些看不见的因素，这将有助于更好地理解微生物组的生态学，以及交叉喂养在推动更广泛的群落动态中所起的作用。

4 为什么以及如何发生交叉喂养？

微生物为什么以及如何释放公共产物？至于为什么会这样，我们必须首先弄清楚交叉喂养是进化的特征还是偶然发生的。在某些情况下，有证据表明细菌适应于依赖互惠交叉喂养的相互作用。最近的一篇论文表明，某些肠道细菌分泌酶来消化多糖，有利于交叉喂养物种，这反过来又为前者提供了不同的益处。如下所述，由于细胞裂解、溢出代谢或其他过程，公共产物的释放也可能是偶然的。

至于如何分泌公共产物，人们提出了一些机制。高分子量多糖和蛋白质通常在细胞外降解并释放出可供其他物种使用的代谢物。细胞内代谢物可通过细胞裂解释放，例如通过宿主或微生物毒素、饥饿或裂解噬菌体的作用。事实上，裂解噬菌体已被证明在自然和实验室环境中的营养释放中发挥作用。

除了细胞裂解外，细胞内代谢物也可以从活细胞中释放出来。有时，这可能通过脂质膜的自由扩散或通过转运体的“意外”渗漏而发生。在某些情况下，溢出代谢可能有助于细胞内代谢物对邻近细菌的可用性。这种现象是基于在给定营养环境下优化生长速度而非效率的代谢模型。在溢出代谢过程中，在高资源供应条件下，利用发酵(从而分泌乙酸)的生长速度比有氧呼吸更快溢出代谢已在Escherichia coli中进行了大量研究，但在肠道共生菌Bacteroides thetaiotaomicron中也观察到，拟杆菌分泌乙酸盐、甲酸盐、琥珀酸盐和丙酸盐作为主要代谢副产物，这些代谢物都很容易从发酵糖酵解副产物中获得，它们的积累是通过允许溢出代谢的代谢模型预测的。

关于代谢物泄漏的另一种假设是，在饥饿状态下，细胞会分泌不可降解的代谢物，例如某些氨基酸，以防止其毒性积聚。或者，在一种被称为“noise-averaging cooperation”的现象中，在单细胞水平上对代谢酶的噪声调节会导致一部分细胞分泌代谢物，这些代谢物能够被其基因相同的亲缘物种使用。这种代谢物的共享使相关细菌能够“平均”它们的共同代谢，并共同促进集体生长。然而，在多样化的群落中，这些代谢物可用于其他物种，并可能导致种间交叉喂养。最后，代谢通量分析表明，在某些条件下，许多代谢副产物的分泌对生产者来说是“无成本的”，这取决于哪些营养物质受到限制以及细胞中的碳氮比。在这种情况下，不会有选择压力来阻止这些代谢物从细胞中释放出来。

5 肠道微生物组交叉喂养概述

在微生物组中进行交叉喂养的代谢物大致可分为两类：直接用于中枢代谢的代谢物(糖和电子供体/受体)和需要生物合成或吸收的必需营养素(氨基酸、辅因子、维生素)。在中枢代谢方面，交叉喂养建立了营养级(图2A)，其中初级降解者(第一营养级)具有专门的机制水解复杂的多糖，释放其他物种可获得的低聚糖和单糖。初级发酵者(第二营养级)自身释放这些糖或从其他微生物获取这些糖，并通过糖酵解输送这些糖，产生用于底物水平磷酸化的磷酸烯醇丙酮酸(PEP)，并产生有机酸(如甲酸、乙酸、琥珀酸)或醇类(如1,2-丙二醇)(图2B)。接下来，二级发酵者(第三营养级)可以在其自身的各种发酵或呼吸途径中利用这些副产物，产生短链脂肪酸(SCFA：乙酸盐、丁酸盐、丙酸盐)。最后，由一级/二级发酵者产生的分子氢(H2)(图2C)作为硫酸盐还原菌(SRB)、产甲烷菌和产乙酸菌的电子供体(第四营养级；图2D)。

鉴于肠道生物地理的复杂性，肠道微生物组是否真正在营养水平上发挥作用？为了支持这一观点，一些营养角色是相互排斥的：例如，没有已知的微生物既是初级降解者又是产甲烷菌。此外，虽然许多细菌编码了填补多种营养角色的潜力，具有多种营养作用的潜力(例如，许多产乙酸菌也编码细胞外多糖水解酶)，但随着细菌根据环境和群落背景转变为特定的营养角色，这种潜力并未实现。人类微生物组数据的相关分析也可以识别营养网络，原位建模也是如此。虽然此类建模并未考虑所有贡献参数，但由营养级决定的框架允许对群落功能进行粗理解，而群落功能过于复杂，无法使用专注于单一物种的精度方法来实现。

图2.与交叉喂养有关的中枢代谢途径。

6 第一营养级: 初级降解者在肠道中共享糖分

虽然在肠道中有不同细菌门的初级降解者的例子，但拟杆菌门的成员是碳食物网的核心。这些细菌的存在密度为109-1010CFU/g粪便，由三个优势属组成：Bacteroides、Parabacteroides和Prevotella。Bacteroidales在肠道中的主要生态位是植物多糖的降解，这些植物多糖逃避了小肠中人体酶的消化。特定多糖生长所需的基因编码在被称为多糖利用位点(PUL)的基因簇中，其中可能包括结合多糖的表面蛋白(通常为SusD)、切割多糖的表面相关酶(糖苷水解酶/多糖裂解酶，GH/PL，通常为SusG)、转运蛋白(通常为SusC)，以及降解为单糖的质周GH。由于不同的PULs对不同的底物具有特异性，因此每个物种的能力取决于其编码的PULs。表面暴露的GH(通常编码用于脂蛋白附着的N-末端信号肽酶II序列)允许一个物种产生公共产物。这些表面暴露的GH/PL也可以根据它们的脂蛋白输出序列在外膜囊泡中分泌。这样，外膜囊泡本身就可以作为公共产物。

由于其作为初级降解者的作用，Bacteroides spp.通常被认为是一个群落的关键物种，对整个生态系统产生了不成比例的巨大影响。更进一步说，PULs本身是群落组成的重要驱动因素。例如，Bacteroides uniformis的各种PUL突变体显著降低了交叉喂养的产丁酸菌(厚壁菌门)的生长，从而降低了丁酸产量。

绘制一个简单的模型是很有诱惑力的，其中PUL的存在可以预测交叉喂养底物的可用性，从而预测依赖这些底物的二级发酵者的丰度。然而，经验数据表明，是否发生交叉喂养取决于所涉及的聚糖和相互作用的物种。有两个因素促成了这种特异性。第一个是受体物种导入和代谢来自目标多糖的单糖或寡糖的能力，这需要必要的机制来利用释放的糖。第二个因素是初级降解者如何代谢多糖。不同的物种编码相同的PULs，释放出不同类型、数量和比例的单糖/寡糖。例如，虽然Bacteroides caccae、Bacteroides ovatus、B. uniformis和B. thetaiotaomicron都代谢菊粉，但释放的寡糖和果糖的量不同。初级降解者也可以通过自私或无私的机制运作。虽然无私的机制会产生公共产物，但自私的代谢利用最少的细胞外水解来防止损失给其他微生物。酵母α-甘露聚糖被B. thetaiotaomicron降解是后者的一个例子，其中表面暴露的内切-α-甘露糖苷酶介导甘露聚糖骨架的罕见切割，产生相对较大的低聚糖，这些低聚糖被输入用于周质内切-和外切-α-1,6-甘露糖酶。同样，B. ovatus对半纤维素的降解采用自私策略，但对其他低聚木糖的降解采用“无私”策略。通常，为其他物种提供公共产物的细胞外多糖消化被认为是共生的或剥削性的，即它不利于初级降解者。然而，在一个具体的例子中，一种互惠的相互作用被提出：B. ovatus分泌的GH对菊粉的细胞外消化对于其自身对纤维的利用是可有可无的，但允许Bacteroides vulgatus以释放的寡糖/单糖为食。B. vulgatus通过未知机制反过来促进B. ovatus的生长。作者认为，这种互惠互利为B. ovatus维持细胞外水解酶提供了选择。

在肠道微生物组中，有大量其他底物和物种参与交叉喂养多糖。导致疾病的一个显著的相互作用是Bacteroides spp.和肠道病原体(包括E. coli、Salmonella enterica serovar Typhimurium (S.Typhimurium)和Clostridium difficile)之间宿主衍生唾液酸的交叉喂养。在结肠炎和抗生素后感染模型中，Bacteroides spp.唾液酸酶活性可从糖蛋白和低聚物中释放单体，促进病原体扩张。其他交叉喂养的底物包括阿拉伯半乳聚糖、菊粉、果胶、黄原胶和木糖醇，进一步表征负责代谢这些复杂底物的基因和酶以及利用释放底物的物种，将有助于更好地了解多糖交叉喂养过程中的特异性。

7 第二和第三营养级: 交叉喂养发酵副产物

在被初级降解者释放后，通过第二和第三营养级成员的联合作用从糖中获取能量。总的来说，糖会进入三个上层途径之一(Entner-Doudoroff；Embden-Meyerhof-Parnas [糖酵解]；磷酸戊糖途径)以产生PEP，PEP被引导通过各种下层发酵途径并最终产生SCFA和气体(CO2、H2)。关键中间体由PEP生成(图2B)。首先，PEP可以代谢成富马酸盐，富马酸盐在厌氧呼吸过程中充当终端电子受体，产生琥珀酸盐，琥珀酸盐随后被脱羧成丙酸盐；其次，PEP可以通过底物水平磷酸化代谢为丙酮酸，随后通过乳酸(丙烯酸酯途径)发酵为丙酸，通过琥珀酸发酵为丙酸，或通过乙酰辅酶A发酵为丁酸；第三，乙酸盐是通过乙酰辅酶A水解或通过Wood-Ljungdahl途径由产乙酸菌产生的关键中间体，并用于利用丁酰辅酶A生产丁酸盐的替代途径：乙酸辅酶A转移酶(乙酰辅酶A途径)。最后，脱氧糖发酵(即岩藻糖和鼠李糖)通过丙二醇利用途径和关键中间体1,2-丙二醇生产丙酸盐。

单个细胞通常不会将糖一直发酵成SCFAs，而是通过溢出代谢分泌中间体。释放哪些中间体取决于优化能量收集和生长速率的因素，包括CO2/H2分压和氧化还原平衡(NAD+/NADH)。这些中间体被其他细胞吸收、发酵完成，产生SCFA。这种交叉喂养的最终结果是，三种主要的短链脂肪酸(乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐)在肠道中积累到高浓度，在近端结肠达到峰值，而其他发酵中间产物(例如，富马酸盐、乳酸盐、琥珀酸盐，1,2-丙二醇)则不会。乙酸盐由许多细菌产生，而丙酸盐和丁酸盐的产生不那么普遍：例如，Lachnospiraceae(如Anaerostipes、Roseburia、Eubacterium)和Faecalibacterium prausnitzii是主要的丁酸产生菌，而Bacteroides spp.、Negativicutes和一些Clostridium spp.是主要的丙酸产生菌。

对于许多物种来说，交叉喂养发酵中间体是它们在肠道中生活方式不可或缺的一部分。乙酸盐交叉喂养特别重要，因为它始终是人群肠道中最丰富的SCFA，也是丁酸盐(一种对人体健康具有重要生理意义的短链脂肪酸)生产的底物。强调它的重要性，乙酸也是大多数产丁酸细菌生长所必需的。乳酸的使用程度较低，在首先需要氧化为丙酮酸的途径中，支持肠道中约20%的丁酸盐生产(图2B)。与单独培养的物种相比，交叉喂养的物种通常会产生更高的丁酸盐水平、生长速度和/或生物量。例如，Bifidobacterium spp.发酵低聚果糖产生乙酸和乳酸，而生产丁酸的厚壁菌门，包括F. prausnitzii、Roseburia spp.和Eubacterium spp.，因此，补充低聚果糖增加了Bifidobacterium spp.和产生丁酸的Firmicutes的丰度。Bifidobacterium spp.产生的乙酸盐和甲酸也被认为对婴儿肠道中从母乳到固体食物的过渡过程中产生丁酸的Clostridia很重要。

某一物种的营养行为取决于其交叉喂养伙伴的存在。例如，用B. thetaiotaomicron和Eubacterium rectale一起定植无菌小鼠，而不是单独定植，结果两个物种向更专性的营养角色转变。B. taotaommicron上调多种用于糖降解的PULs，而E. rectale下调GHs并上调用于乙酸盐代谢的酶。这些路径的适应度成本也受到影响。例如，Lactobacillus reuteri利用1,2-丙二醇所需的基因在小鼠肠道中赋予适应负荷，而在Bifidobacterium breve (一种1,2-丙二醇生产菌)存在时，这种适应负荷被逆转。

8 第四营养级: 种间H2转移

在厌氧生长的许多途径中，分子氢(H2)是一个重要的电子汇。对于这些细菌，质子还原与铁氧还蛋白、甲酸盐、NADH和FADH2氧化相结合，所有这些都产生H2(图2B和2C)。然而，H+/H2的低氧化还原电位意味着这些反应只在低H2分压下有利，其积累通常通过抑制NADH氧化来减缓或抑制生长(图2C)。伴侣细菌或古细菌去除H2，这一过程被称为种间H2转移，对这些细菌的生长至关重要，也是一个典型的互养作用的例子。这些相互作用通常是专性的，但如果可以减少替代细胞内代谢物而不是质子，也存在兼性关系。尽管如此，使用质子可以产生更多的ATP，因此是有利的。

几种代谢消耗H2作为生成ATP策略的一部分(图2D)。其中包括氢营养型产甲烷(4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O)、乙酸生成(4H2 + CO2 → CH3COOH + 2H2O；Wood-Ljungdahl途径)和各种形式的氢营养型呼吸。一般来说，氢营养呼吸利用H2作为电子传递链的电子供体，最终减少末端电子受体(例如富马酸盐、硝酸盐、硫酸盐)。一种特定类型的氢营养呼吸是异化硫酸盐还原(4H2 + SO42−+ H+ → HS− + 4H2O)，它涉及用ATP激活硫酸盐并最终将其还原为H2S的特定策略。所有这些形式的H2消耗最终都会产生H+或Na+梯度，驱动ATP合酶。氢营养呼吸将周质中的H2裂解成质子，质子直接产生质子动力。这种策略用于在硫酸盐异化还原和丙酮生成过程中产生ATP。另外，在氢化甲烷生成过程中，通过膜结合的甲基转移酶Mtr将Na+跨膜易位，在甲基转移反应中发生能量守恒。

这些消耗H2的代谢策略被肠道中不同的微生物类群所利用。硫酸盐还原菌(SRB)主要属于Desulfovibrio属，而所有已知的产甲烷菌都是古生菌，属于不同的目，包括Methanobacteriales和Methanomassiliicoccales，其中Methanobrevibacter smithii在人类肠道中很突出。虽然主要是Firmicutes，但在不同的门中都发现了产氢作用和其他形式的氢营养呼吸作用。重要的是，氢营养呼吸作用对包括Helicobacter pylori和S. Typhimurium在内的几种肠道病原体的毒力至关重要。

与SRB和氢营养产甲烷菌的生长受H2有效性限制相比，利用Wood-Ljungdahl途径的产乙酸菌通常具有更大的代谢灵活性。除了H2，这些微生物还可以利用其他电子供体来减少二氧化碳，包括一氧化碳或有机碳源，如糖或醇。此外，许多产乙酸菌缺乏甲酸脱氢酶，甲酸脱氢酶是Wood-Ljungdahl途径(利用H2将CO2还原为甲酸)的第一步酶。因此，这些细菌从肠道内其他物种产生的甲酸盐的交叉摄食中获益。另一方面，SRB的生长受到硫酸盐供应的限制，硫酸盐供应部分是通过拟杆菌编码的硫酸盐酶介导的交叉摄食获得的，该酶从宿主聚糖(如硫酸软骨素)中释放硫酸盐。

仅基于能量偏好，SRB可以在H2方面胜过产甲烷菌(只要硫酸盐不受限制)，产甲烷菌可以胜过产乙酸菌。尽管存在这种明显的代谢分层现象，但与SRB或产甲烷菌相比，产乙酸菌更为普遍和丰富。产乙酸菌的成功可能是由于它们能够使用H2的替代电子供体和其他编码策略来获取能量，如多糖降解。事实上，在含有产甲烷菌和SRB的群落中，产乙酸菌对H2消耗的贡献很小。

在体外和无菌小鼠中的几个例子表明，将糖发酵肠道微生物与消耗H2的物种配对可以增加细胞密度，并可以影响相互作用物种的代谢输出。例如，在几项研究中，Methanobacteriaceae和产生H2的Christensenellaceae的相对丰度在不同人群中呈正相关。在体外，M. smithii与Christensenella minuta结合产生的甲烷比其他H2生成菌产生的甲烷更多，这可能是由于M. smithii与C. minuta的高H2产量和与M. smithii的物理聚集。反过来，C. minuta将其代谢从丁酸盐转变为乙酸盐生产，这对宿主健康产生潜在影响。

9 氨基酸交叉喂养

氨基酸是微生物群落的重要货币。它们是进入中枢代谢的能量来源、转氨化反应的氮源和氨基酸营养不良者必需的营养物质。与碳食物网不同的是，碳食物网以Bacteroidales为中心，因为它们具有聚糖降解能力，而氮食物网是由多种物种驱动的，包括许多Firmicutes，如Clostridium、Fusobacterium、Actinomyces、Propionibacterium和Peptostreptococci。事实上，许多Clostridia通过氧化、还原或偶联途径降解氨基酸，包括Stickland反应(图3A)，这些物种共同推动肠道内氮的交叉喂养，氮以两种形式交换：铵(NH4+)和氨基酸。

结肠中含有丰富的氨，由微生物产生，其浓度在远端升高(图3C)。它是拟杆菌生长的重要营养素，因为某些拟杆菌不能以氨基酸作为唯一的氮源而生长。在体内，B. thetaiotaomicron根据氨的有效性，通过上调替代酶来优先利用NH4+进行精氨酸和赖氨酸的生物合成。拟杆菌在氨基酸发酵过程中通过多种细菌产生NH4+(图3A)，或从尿素中产生NH4+，并将其大量排出肠道(图3B)。在这种情况下，当表达脲酶的物种(包括所有优势门的成员)释放NH4+供非脲酶产生菌利用时，就会发生交叉喂养。

氮在交叉喂养过程中的第二种交换方式是以氨基酸的形式进行的。与将氨基酸引入中枢代谢的分解代谢途径相比，通过合成代谢利用氨基酸可以节省更多能量，从而减轻氨基酸生物合成的必要性。经验证据表明，氨基酸生物合成需要消耗大量能量，这就提出了营养缺陷型生物应该普遍存在的假设。氨基酸生物合成基因的丧失与黑皇后假说一致，该假说认为，如果环境中提供了基本功能或营养物质，例如通过释放公共产物，基因的丧失提供了一种选择优势。

氨基酸营养缺陷型广泛存在：代谢途径分析表明，24%到98%的细菌缺乏合成至少一种氨基酸的能力。最近对地球微生物组计划中包含的超过12,000个群落(包括自由生活和宿主相关的自然群落)进行的分析发现，几乎所有群落都存在氨基酸营养缺陷型。在解释这些数据时应谨慎行事，因为隐氨基酸生物合成途径可能导致错误的营养缺陷型过度预测。尽管如此，将相同的管道应用于宿主相关(例如肠道微生物组)和自由生活的物种，突出了宿主相关微生物中营养缺陷型的频率增加(在地球微生物组项目数据中，分别为45%和25%)。这一观察结果与宿主相关环境中养分可用性的增加是一致的。

尽管在宿主相关环境中预测的营养缺陷型频率增加，但在包括食物发酵在内的自由生活环境中，氨基酸营养缺陷型之间交叉喂养的显著例子被记录下来。氨基酸营养缺陷型合成群落也被用于探讨群落生态学中的交叉喂养和互惠原则。例如，14种营养缺陷型E. coli突变体的互养生长表明，共享能量昂贵的氨基酸(例如，甲硫氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、精氨酸和芳烃)比交叉喂养廉价氨基酸促进更强的相互作用。这些相互作用取决于养分的可用性；例如，S. cerevisiae和乳酸菌之间的氨基酸交叉喂养依赖于氮的可用性，以允许Saccharomyces cerevisiae参与氨基酸的“无成本”溢出代谢，这些氨基酸随后会被营养缺陷型乳酸菌所利用。使用合成菌群进行交叉喂养实验也可以探索合作如何以及何时可以发展。解决这些基础科学问题对于理解对营养变化的恢复力和对入侵的抵抗力具有重要意义。

与自由生活系统中有限的氨基酸可用性相反，哺乳动物胃肠道中的细菌可能有充足的途径获得蛋白质和氨基酸。因此，营养缺陷型微生物之间的氨基酸交叉喂养是否与肠道相关？虽然在体外确实有证据表明肠道微生物可以交叉喂养氨基酸，但这是否是体内重要的氨基酸来源尚不清楚。在小肠中，膳食蛋白质是丰富的，使用标记蛋白质或氮源的研究表明，微生物以这种来源为生。在结肠远端，可发酵的聚糖变得稀缺，氨基酸更频繁地用于发酵(图3C)。在本研究中，可发酵纤维被耗尽，抑制蛋白质水解降解的短链脂肪酸也被耗尽，因此氨基酸发酵变得有利。氨基酸的发酵限制了营养缺陷菌对氨基酸的利用，促进了相互交叉喂养，这是可行的。

很少有直接的体内证据表明氨基酸在肠道中交叉喂养。果蝇肠道中的一个例子表明，植物乳杆菌通过中枢代谢产生乳酸，而乳酸被A. pomorum用来产生植物乳杆菌生长所必需的氨基酸。虽然这些必需氨基酸通常存在于饲料中，但作者提出，如果宿主的饲料缺乏这些营养物质，这种形式的交叉喂养可以保护微生物群落免受干扰。有趣的是，这种互惠相互作用还通过乳酸盐和A. pomorum介导的机制降低了果蝇对富含蛋白质的食物的偏好。在体外实验中，Lactobacillus rhamnosus和B. caccae之间也有类似的乳酸和氨基酸交换。最后，在携带四成员工程氨基酸营养缺陷菌群的无菌小鼠中，低蛋白饮食的交叉喂养证据比高蛋白饮食更强，这与膳食蛋白质可以挽救肠道微生物组中营养缺陷型需求的假设是一致的。

综上所述，这些研究确定了人类肠道微生物组中氨基酸交叉喂养的潜力。尽管这些相互作用对人体肠道微生物生长的相对贡献还需要进一步研究，但值得注意的是，氨基酸代谢的细菌代谢物对宿主健康有重要影响，包括肥胖、神经系统疾病和药物代谢。进一步研究氨基酸交叉喂养的体内机制对理解和预测微生物组对这些宿主表型的贡献具有重要意义。

图3.肠道中的氮代谢。

10 维生素交叉喂养

除了主要碳源和氮源的交叉喂养外，包括维生素和辅因子在内的微量营养素也在肠道微生物组中交叉喂养。维生素非常适合远端肠道微生物间的交叉喂养：(1)它们对于重要细胞途径中的酶促功能至关重要，(2)它们的合成在能量上非常昂贵，因此原养型微生物调节生物合成和营养缺陷很常见，(3)它们通常使用专门的转运蛋白从环境中输入，并且(4)与氨基酸和中心代谢底物相比，生长只需要低浓度(纳摩尔范围)。作为后一点的证据，在E. coli营养缺陷型的基因组大筛选中，维生素营养缺陷菌作为理想的交叉喂养合作者出现，它们能够在有原养型伙伴存在的情况下快速生长，而在没有原养型伙伴的情况下却不生长。作者将这种特性归因于快速生长所需的低浓度维生素，而不是所需的大量氨基酸或核苷酸。

细菌合成/进口多种B族维生素(硫胺素[B1]、核黄素[B2]、烟酸[B3]、泛酸盐[B5]、吡哆醇[B6]、生物素[B7]、叶酸[B9])、醌类(包括甲基萘醌[K2]和泛醌[CoQ])、细胞抗氧化剂(谷胱甘肽和麦角硫因)。虽然交叉喂养抗氧化剂或醌类的证据较少，但有大量关于交叉喂养B族维生素的文献。

维生素B12属于一组密切相关的化合物，称为类咕啉，可能是微生物群落中维生素交叉喂养研究最广泛的例子。类咕啉满足理想的交叉喂养代谢物的所有特征：(1)它们对许多微生物的生长很重要，因为约75%的细菌编码类咕啉依赖性酶；(2)大约一半的细菌是营养缺陷型，因为类咕啉的生物合成非常昂贵，涉及约30个酶促步骤；(3)进口很常见，因为不同形式的类咕啉及其生物合成中间体被专用清除/运输系统(BtuBFCD)有效捕获；(4)生长仅需要纳摩尔量。食物中摄入的B12在回肠中被吸收，生物利用度约为50%，具体取决于食物，并在2 μg/餐时达到饱和。因此，根据饮食，远端结肠中的类咕啉可能来自饮食和微生物。膳食B12很可能被微生物组转化为其他类咕啉而到达结肠的。然而，在限制膳食B12的情况下(这可能发生在动物产品含量低的饮食中)，证据支持微生物产生类咕啉和交叉喂养可以稳定群落。首先，直接的体内证据表明B. thetaiotaomicron是一种B12营养缺陷体，它依赖于从环境中摄取，因为在单定植的小鼠中，转运体突变体会被野生型菌株竞争，但在与类咕啉原养菌共定植的小鼠中则不然；当类咕啉丰富时，低效转运蛋白可能会被替代。其次，B12缺乏的饮食对肠道微生物组的组成几乎没有影响，这表明原养生物能够为营养缺陷型生物提供类咕啉，储存B12。尽管宿主在肝脏中储存B12并通过肠肝循环释放也可能起作用。B12也可以与其他参与中心碳代谢的代谢物共享，例如在粘膜边界处Eubacterium hallii(corrinoid产生菌和1,2-丙二醇消耗菌)和Akkermansia mucuniphila(corrinoid消耗菌和1,2-丙二醇产生菌)之间的corrinoid和1,2-丙二醇交换。

硫胺素(B1)是肠道中维生素交叉喂养的第二个例子。硫胺素生物合成涉及两个不同的分支，产生稳定的中间体，它们通过硫胺素-磷酸合酶(ThiE)偶联在一起，然后磷酸化为活性辅因子焦磷酸硫胺素(TPP)。另外，硫胺素本身也可以磷酸化为TPP。许多肠道和海洋细菌对THZ和HMP的生物合成或结合THZ和HMP的能力都是营养缺陷型的，而这些化合物的输入途径被广泛报道。在合成群落中， THZ/HMP生物合成或ThiE中的E. coli突变体可以通过共享这些中间体来相互支持。这些观察结果表明，硫胺素及其中间体可以很容易地在细菌之间共享。

其他B族维生素的交叉喂养也有类似的证据。计算机预测表明B族维生素普遍存在营养缺陷，每种维生素约20%的典型微生物种群(按相对丰度计算)存在营养缺陷，而B12营养缺陷的发生率约为50%。模型显示，维生素B驱动肠道微生物相互作用的模块。基于互补的原养型微生物/营养缺陷型网络实验表明，在体内和体外，不同的膳食B族维生素(B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9和B12)表明，原养型微生物可以保护营养缺陷体免受营养缺乏的影响。在体外实验中，在人类复杂群落生长过程中，废培养基中B族维生素(B2、B3和B5)的浓度增加，添加过量的B族维生素不会增加营养缺陷型细胞的丰度，在白蚁肠道中，Treponema primitia需要叶酸(B9)来生长，它从其他肠道微生物(包括Lactococcus lactis和Serratia grimesii)那里获得叶酸。T. primitia可能反过来产生生物素、磷酸吡哆醛和辅酶A来支持Treponema azotonutricium的生长。

值得注意的是，与氨基酸营养缺陷型预测类似，基于基因组数据的维生素依赖性预测并不总是得到体外证据的支持。这可能部分是由于维生素的条件必需性。例如，在许多微生物中，维生素B12由于corcorinids依赖性甲硫氨酸生物合成酶MetH，对于在基本培养基中的生长是必不可少的；在编码替代B12独立酶MetE的物种中，B12不是必需维生素。同样，生物素对于天冬氨酸的生物合成至关重要，补充这种氨基酸可以降低某些物种对生物素的需求。计算机模拟进一步预测，维生素B1、B5、B9、B12和K是必需的还是可替代的，具体取决于生长条件。在Bacteroides spp.中，B族维生素的生物合成或运输对适应性具有一定的重要性，具体取决于条件(体内与体外)、物种和群落组成。综上所述，这些观察结果表明基因组预测和体外生长需求只能部分预测B族维生素生物合成和交叉喂养在肠道微生物组中的作用。

与中心代谢副产物不同，维生素是能量昂贵的生物合成最终产物，而中心代谢副产物可能由于溢出代谢或细胞外多糖降解而从生产者细胞中释放，很少或没有健康成本。在这种情况下，维生素的释放是否代表维生素生产者的利他行为？利他主义是一种合作形式，在这种合作形式中，个体在为他人提供健康利益的同时承担健康成本。利他主义可以解释为：它比远亲更有助于基因相似的个体的繁殖，并限制那些对共同资源没有贡献的骗子的成功。有一些证据表明肠道微生物群中存在利他主义，但在B族维生素的背景下，对它们释放的其他解释也是可行的。例如，虽然钴胺酰胺前体钴啉醇酰胺抑制营养缺陷型E. coli的生长，但转化为B12可以减轻这种毒性。这表明B12的组装可能是一种防止有毒生物合成中间体的手段，而过量B12的释放是这一过程的副产物。此外，只有少量的B12被分泌出来，这就限制了吃白食者的生长。与低水平的维生素分泌相一致，几乎没有证据表明维生素的积极输出，尽管在一些原养型物种中预测了双向转运或输出。除了以细胞外电子传递为目的的黄素输出外，很少有专门的输出。

向环境释放维生素的不同能力可能解释了原养型微生物支持营养缺陷型生长的能力的差异。例如，就硫胺素而言，E. coli和B. thetaiotaomicron都编码生物合成途径以及硫胺素或其中间体的输入途径。鉴于E. coli突变体可以通过交叉喂养硫胺素中间体来相互支持，B. thetaiotaomicron生物合成缺陷突变体在缺乏外源硫胺素的培养基中很容易被野生型所取代。在B族维生素限制条件下配对各种产丁酸的厚壁菌同样表明，只有一些原养型菌株支持营养缺陷型的生长。未来关于维生素释放机制的研究，无论是“偶然”(即渗漏或裂解)还是通过主动外排，都将阐明这些观察结果。此外，大多数关于维生素交叉喂养的研究都使用了体外条件和基因工程菌株；可能在自然环境中使用了未被发现的机制(例如，运输或生物合成)。

11 铁、血红素和铁载体

矿物质(Zn、Mn、Cu、Se、Fe、S、Co、Cu)对细菌和宿主都必不可少，因为金属蛋白参与重要过程，如DNA复制、氧化应激反应和ATP产生。这些辅因子来源于饮食，而人体无法吸收的矿物质会到达结肠，并在那里被微生物利用。细菌直接从环境中捕获矿物质，例如铁(如使用FeoABC转运系统转运可溶性二价铁Fe2+)或通过清除分子(如铁载体或血红素/血液载体用于不溶性三价铁Fe3+)。虽然铁本身的交叉喂养在肠道中没有记录，但这些清除分子很容易在物种之间交换。此外，一些铁载体(如yersiabactin)作为金属载体，结合其他金属(如Cu、Zn和Mn)，扩大了肠道微生物群成员之间矿物交叉喂养的范围。

铁载体结构多样，需要同源受体才能摄取，包括外膜TonB依赖性转运蛋白和周质结合蛋白/ATP转运蛋白，以促进易位到细胞中。在肠道微生物组的背景下，对铁的竞争尤为重要，因为它有助于肠道病原体的毒力。在感染期间，宿主会分泌铁结合蛋白乳铁蛋白和钙卫蛋白，作为一种营养免疫策略，使病原体缺铁。同样，在稳态状态下，共生菌(如Bifidobacterium spp.、共生E. coli)的定植并不需要铁载体的产生，但在感染期间，共生菌和病原体(如Salmonella)之间的竞争很重要。

与维生素类似，铁载体和血红素的生产在能量上是昂贵的，因此一些不产生铁载体的细菌表达的受体允许窃取其他物种产生的铁载体(异种铁载体)。肠道Bacteroides spp.既不编码血红素也不编码铁载体，而是通过摄取血红素前体(例如，原卟啉)、转铁蛋白、铁载体和异种铁载体，以一种特定的方式获得铁。在感染或结肠炎期间，当微生物获得铁的途径有限时，Bacteroides spp.的适应性取决于它们从肠杆菌中捕获铁载体的能力(即salmochelin和肠杆菌素)。实际上，在负责salmochelin/肠杆菌素摄取的xusABC基因座中存在缺陷的B. thetaiotaomicron突变体在健康肠道中没有表现出适应性缺陷，但在Salmonella感染或结肠炎期间却被淘汰。

铁载体窃用对生产生物体的适应性有什么影响？虽然可能会产生负面影响，但对野生型或XusABC缺陷型B. thetaiotaomicron菌株定植小鼠的Salmonella负荷的实验研究表明，对病原体负荷没有影响。值得注意的是，这些研究是在常规饲养的小鼠中进行的，其中B. thetaiotaomicron仅占微生物组的一小部分；许多铁载体利用物种的联合作用可能会影响产生铁载体的生物的适应性。或者，互惠交叉喂养可以增加双方在铁载体窃用过程中的适应性。例如，在多种微生物腹腔内感染期间，E. coli和Bacteroides fragilis之间的协同作用导致病变和脓肿形成。这种协同作用至少部分归因于E. coli血红蛋白蛋白酶(Hbp)，其分泌、降解血红蛋白，结合血红素，并将其输送摄取。Hbp可被B. fragilis截获，而B. fragilis又通过尚不明确的机制促进大肠杆菌的生长。环境性肠道功能障碍是一种营养不良，其特征是变形菌过度生长、慢性吸收不良和易受感染。在环境肠道功能障碍期间，E. coli和Bacteriodes spp.之间发生互惠交叉喂养，其中Bacteriodes spp.通过从粘蛋白中释放唾液酸来增强E. coli对碳水化合物的获取，而E. coli通过铁载体分泌、血红蛋白降解和血红素生物合成来增强拟杆菌对铁的获取。这种相互作用依赖于营养不良和炎症条件的结合，当Bacteriodes spp.降解宿主粘蛋白和铁受到限制时。了解这些生态失调状态下铁获取和交叉喂养的机制和后果，有助于制定改善微生物组相关疾病风险的治疗策略。

12 展望

尽管微生物交叉喂养看似简单，但微生物群落交叉喂养的结果显然很复杂。正如上面示例所强调的那样，这些相互作用可能导致共生、剥削或互惠，可能依赖于环境，受到参与物种和营养条件的影响，并且可能引入大量涉及群落稳定性和利他主义的生态进化难题。根据具体情况，交叉喂养相互作用可能是健康微生物群的一个不可或缺的功能(例如，通过促进产丁酸菌的生长)，也可能导致疾病(例如，通过促进病原体扩增)。这些不同的结果可能是作为公共产品释放的代谢物所固有的，微生物群落的其他成员可以获取这些代谢物。

尽管存在这些挑战，但肠道中的交叉喂养相互作用值得继续研究。这里描述的各种策略简化了交叉喂养，例如研究成对相互作用或将复杂的群落分解为营养水平。整合这些研究的结果为开发将交叉喂养整合到群落动态预测中的综合模型奠定了基础。结合蛋白质组学、代谢组学和基因组学数据的模型，随着它们利用先进的技术，例如非靶向代谢组学、稳定同位素追踪和更强大的生态和计算模型(例如，基于常微分方程的模型、基因组规模代谢建模)，准确性不断提高。然而，这些方法存在局限性，包括缺乏对宿主因素(如空间结构和微生物-宿主相互作用)的整合，以及我们对肠道中存在的多种物种的代谢功能的了解有限。整合这些宿主因素和继续研究不同肠道微生物的未表征功能仍然是重要的目标。这些努力共同致力于了解肠道微生物群落的组成和代谢输出、这些群落对其宿主的影响，以及如何控制这些输出和影响以获得治疗益处。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0121X