微生物群体感应与仔猪肠道健康的研究进展

来源：华中农业大学2022-11-10 15:24

近日，华中农业大学魏宏教授就肠道微生物群体感应(QS)信号分子对宫内生长受限(IUGR)仔猪肠道损伤的调控进行了系统深入的研究，并在国际学术期刊《总恩科学》(Science of the Total En)发表了报告。

近日，华中农业大学魏宏教授在肠道群体感应()信号分子调控宫内生长受限仔猪(IUGR)肠道损伤领域进行了系统深入的研究，发表在国际学术期刊《全环境科学》、《肠道微生物》、《微生物谱》、《免疫学前沿》、《细胞生理学杂志》和《营养学杂志》上的系列研究论文。揭示了IUGR仔猪肠腔内微生物QS信号分子的变化以及调控肠道屏障功能受损的分子机制，为IUGR引起的肠道疾病的发生提供了新的思路，为IUGR仔猪生理调控关键靶标的筛选提供了理论依据。

IU引起的仔猪初生重低、泌乳期次高死亡率和全期生长性能低下是养猪业的主要问题之一。据IUGR介绍，中国有15%~20%的仔猪出生体重不足1.1公斤。IUGR仔猪出生后通常伴有肠道功能障碍，这影响了动物出生后的生产潜力。与正常仔猪相比，IUGR仔猪后期饲料利用效率降低30%，平均出栏时间延长30天，每年给我国生猪生产造成的经济损失达150亿元。因此，改善IUGR仔猪的肠道健康状况，确保生猪健康养殖，显得十分重要和迫切。前期研究团队发现，IUGR引起的肠道发育缺陷可以从新生期持续到生长期，氧化应激和凋亡引起的肠道屏障功能损伤是IUGR猪肠道发育缺陷的生物学基础。

QS是原核生物中基于分子信号的通讯机制。QS信号分子不仅可以控制微生物群落的行为，还可以调节宿主细胞的生理状态。研究表明，革兰氏阴性菌通过分泌QS信号分子来调节真核细胞的功能，破坏宿主肠上皮细胞的稳态，最终导致肠上皮屏障功能障碍。前期研究团队发现，以类杆菌和梭杆菌为代表的革兰氏阴性菌是IUGR仔猪肠道内的优势菌群。然而，尚不清楚IUGR仔猪肠腔中革兰氏阴性菌的增殖是否增加了QS信号分子的分泌。基于这一科学问题，通过检测正常仔猪和IUGR仔猪粪便中9种典型革兰氏阴性菌源的QS信号分子浓度，发现IUGR仔猪体内3OC12-HSL显著升高。以瘤胃球菌为代表的革兰氏阳性菌在IUGR仔猪肠道中显著减少，几乎所有不同的瘤胃球菌都与3OC12-HSL浓度呈负相关，为IUGR仔猪肠道中存在来自革兰氏阴性菌的QS信号分子提供了直接证据。

研究了微生物QS信号分子3OC12-HSL介导IUGR仔猪肠道屏障损伤的分子机制。体外细胞试验结果表明，3OC12-HSL可诱导肠上皮细胞氧化应激和凋亡，破坏细胞外基质和紧密连接蛋白，从而影响肠上皮细胞增殖，破坏屏障功能。然而，抗氧化剂NAC和凋亡抑制剂Z-VAD-FMK可以阻止3OC12-HSL破坏肠上皮屏障，进一步阐明了氧化应激和凋亡通路在这一过程中的介导作用。基于无菌小鼠系统，进一步揭示了3OC12-HSL引起肠道屏障损伤的微生物介导机制：3OC12-HSL破坏SPF小鼠肠道上皮屏障，诱发全身炎症反应；将SPF小鼠的粪便微生物移植到无菌小鼠后，无菌小鼠几乎复制了3OC12-HSL处理的SPF小鼠的所有表型。通过微生物组的联合分析，伊丽莎白金杆菌属。被发现是SPF和无菌小鼠肠道中常见的鉴别细菌。本研究利用无菌动物模型和粪便微生物移植技术，首次在动物体内证明了QS信号分子3OC12-HSL可以通过调控特定微生物破坏肠道屏障功能。该研究方法为分析猪功能微生物与宿主的相互作用机制提供了新的思路。基于上述研究成果，形成了一篇综合性论文，全面总结了革兰氏阴性菌QS信号分子在调节宿主细胞功能和肠道健康中的重要性，提出了通过阻断QS信号分子发挥功能来防治人和动物肠道疾病的可能性。

研究团队长期致力于肠道功能微生物的发现和利用无菌动物系统对功能微生物进行功能验证。通过整合肠道功能微生物群和无菌动物实验技术，发现粪菌移植可以通过调节宿主和肠道屏障功能来缓解无菌小鼠结肠炎的敏感性。阐明了益生菌(酪酸梭菌)及其衍生的胞外小泡可以通过调节肠道内环境稳定和肠道菌群来改善急性实验性结肠炎。该研究为以肠道功能微生物为靶点的炎症性肠病的防治提供了新的见解，促进了炎症性肠病新的治疗和预防干预措施的发展。

华中农业大学魏宏教授团队陶副教授是一系列论文的第一作者或合著者。这项研究得到了中国农业大学教授王俊君和浙江省农业科学院研究员华阳的支持。以上研究得到了国家及国家重点研发计划和高校自主科技创新基金的支持。

图1正常仔猪和IUGR仔猪粪便中9种典型革兰氏阴性菌的QS信号分子浓度

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