肠道微生物协同消化难以分解的多糖

RESEARCH肠道微生物协同消化难以分解多糖的机制与研究进展协同降解·交叉喂养·糖苷水解酶·短链脂肪酸DATE2026年内容导览01认知缺口人类消化局限与菌群依赖的事实共识02协同机制交叉喂养网络与菌群分工协作03酶学解析糖苷水解酶与基因簇研究04代谢效应短链脂肪酸生成与健康调控05前沿展望2025-2026研究突破与趋势CHAPTER认知缺口人类无法消化的多糖，恰是菌群的盛宴从消化局限到菌群依赖，建立问题起点01宿主酶系无法降解复杂多糖人类基因组没有编码降解纤维素的酶，菌群基因组补上了这一环消化酶的局限→多糖进入结肠→菌群发酵分解→充当消化外援消化局限人体消化酶主要作用于蛋白质、脂肪和基础碳水化合物对纤维素、半纤维素、果胶等非淀粉多糖缺乏降解能力消化酶非淀粉多糖进入结肠无法消化的多糖穿过小肠进入结肠，抵达菌群密集定植区被微生物酶系发酵分解结肠发酵分解消化外援肠道菌群由此充当宿主的消化外援弥补人类基因组编码的酶学空白消化外援酶学空白菌群依赖部分多糖（如淀粉）可在胃和小肠消化吸收结构特殊的复杂多糖则必须依赖菌群降解复杂多糖菌群降解菌群规模远超宿主自身细胞“纤维摄入的断崖式下跌，正瓦解一套协同进化数百万年的代谢防线”10¹⁴个菌群规模基因总量为人类基因的

150倍100克/日纤维摄入（祖先）来自野生植物、块茎和豆类，现代人日均不足

20克50%总能量能量贡献（早期）结肠微生物发酵短链脂肪酸，现代已跌至约

2%10¹⁴个人体细胞的10倍肠道菌群总数，基因总量为人类基因的

150倍100克/日▼

现代不足20克祖先日均膳食纤维摄入，现代摄入量仅为进化基准的五分之一50%▼

现代约2%早期人类结肠微生物发酵产生的短链脂肪酸满足的总能量需求占比CHAPTER协同机制初级降解者与接力转化者的精密协作交叉喂养网络，菌群分工的分子图景02菌群携带丰富的酶学系统菌群的酶学武器库远比宿主基因组丰富拟杆菌以

CAZymes酶学系统与

PUL基因簇协同作业，主导肠道多糖降解拟杆菌CAZymes肠道主导革兰阴性菌携带丰富的碳水化合物活性酶系统（CAZymes）CAZymes组分GHs糖苷水解酶（GHs）等多组分包含糖苷水解酶（GHs）、多糖裂解酶、碳水化合物酯酶等，广泛参与膳食纤维多糖与宿主黏液多糖的水解PUL协同PUL多糖利用基因簇（PUL）使多糖降解酶在细胞表面或周质空间协同作业菌株差异多样性底物选择性与功能差异不同菌株的CAZymes组成存在差异，构成菌群降解能力的多样性基础交叉喂养网络串联菌群分工降解多糖是接力赛，而非单兵作战交叉喂养复杂多糖降解并非单菌独力完成，而是依赖菌群间的代谢互依，优化了能量回收，解释了为何菌群结构远比单一物种丰度更为重要第1环初级降解者拟杆菌属将复杂多糖分解为乳酸、琥珀酸等中间产物第2环中间产物接力双歧杆菌发酵低聚糖，产生乙酸和乳酸第3环专性转化者霍氏厌氧丁酸菌（Anaerobutyricumhallii）进一步转化为丁酸CHAPTER酶学解析173个GH家族，菌群的酶学武器库糖苷水解酶与基因簇，降解能力的分子根基03GH家族构成庞大的酶武器库糖苷水解酶家族（GHs）已确认含

GH1至GH173共173个家族，依据氨基酸序列同源性划分GHs催化机制两类β-葡萄糖苷酶（GH1）保留型采用双置换保留机制壳聚糖酶（GH46）反转型采用单置换反转机制4779个基因多形拟杆菌基因组1237个基因高多糖饲料条件激活基因食谱变化时，多形拟杆菌能迅速调节自身基因表达，动态适配新食物，维持菌群整体健康多糖不仅提供碳源，更驱动菌群基因组的动态重编程黄芪多糖激活丁酸生成通路ptb/buk通路主导丁酸生成黄芪多糖（APS）发酵特异性上调

221

个CAZymes家族和

287

个丁酸代谢相关基因，降解效率显著优于党参多糖（CPPS）和低聚果糖（FOS）丁酸途径指标APS组CPPS组丁酸途径基因数329个76个ptb表达量（相对）2.25倍1倍buk表达量（相对）2.43倍1倍结构复杂度与丁酸产量2项结构复杂度多糖结构复杂度表现为

APS>CPPS>FOS丁酸产量与结构复杂度正相关，APS发酵液丁酸含量为CPPS的

1.8倍、FOS的

2.3倍多糖结构越复杂，菌群酶系统的协同动员越充分酶谱在菌种间差异显著酶谱差异决定了不同菌株在多糖降解分工中的生态位婴儿肠道宏基因组挖掘4项GH2114

个假定糖苷酶GH2052

个假定糖苷酶GH1815

个假定糖苷酶来源菌属涉及拟杆菌、双歧杆菌、肠球菌等菌属双歧杆菌种间与种内差异2项种间差异长双歧杆菌长亚种最多涵盖

52

种GH家族基因，两歧双歧杆菌最少仅

32

种种内差异GH43家族种内差异最明显，部分菌株仅含少数亚家族成员，其他菌株则覆盖大多数成员水平基因转移2项广泛转移GH家族基因存在广泛的水平基因转移生态适应菌群借此扩展糖代谢能力，适应宿主膳食结构变化CHAPTER代谢效应短链脂肪酸，菌群与宿主的通用语言从发酵产物到全身调控，代谢效应的传导链04短链脂肪酸呈空间梯度分布SCFAs是局部生成、远程调控的系统性信号分子多糖经菌群发酵产生乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸（SCFAs，碳链少于

六个碳原子）部位浓度代谢归宿检测局限结肠50-150mM丁酸→结肠上皮细胞优先消耗粪便中的SCFAs含量难以完全反映体内真实动态门静脉循环100-500μM丙酸→主要被肝脏摄取外周血更低乙酸→大量进入体循环三种脂肪酸代谢归宿分化同一种发酵产物，因归宿不同而承担迥异的生理使命乙酸·进入体循环，作用于外周组织乙酸因肝脏代谢有限，大量进入体循环，作用于肌肉和脂肪组织丙酸·肝脏摄取，参与糖异生丙酸主要在肝脏代谢，参与糖异生与脂质生成抑制丁酸·结肠上皮就地消耗供能丁酸是结肠上皮细胞的首选能量来源，提供其高达

70%

的能量需求受体与表观调控双重奏SCFAs通过

受体信号

与

表观遗传

两条路径调控宿主SCFAs既是能量分子，更是横跨免疫、代谢与神经的通用信使01路径一受体信号路径激活

FFAR2、FFAR3、GPR109A

三类G蛋白偶联受体。丙酸激活FFAR2后，受体进入极早期内体持续激活Gαi信号并快速循环回膜，促进

GLP-1和PYY

分泌。FFAR2对乙酸和丙酸反应相当，FFAR3对丙酸、丁酸等长链SCFAs更敏感，形成分工精细的受体编码。02路径二表观遗传路径抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）SCFAs抑制HDAC活性，从表观层面调控宿主基因表达。丁酸：屏障与免疫稳态丁酸通过表观遗传调控增强肠道屏障、促进调节性T细胞分化，维持肠道免疫稳态。CHAPTER前沿展望从机制解析走向精准干预多组学与合成生物学驱动的下一程052025至2026年关键研究突破酶学、代谢与免疫的边界正在被逐步打通2026年7月NatureMetabolismGaryFrost团队发表迄今最系统的

SCFAs综述，首次将免疫、内分泌、神经科学中的碎片证据整合为完整生理调控地图2026年3月CellMetabolism曹雄、赵久波团队揭示双歧杆菌通过上调肠道肌酸转运蛋白促进肌酸吸收，重塑肠脑能量代谢2025年诺贝尔生理学或医学奖相关成果菌群代谢物调控Treg证实肠道菌群通过短链脂肪酸、多糖A

等代谢产物精准调控调节性T细胞2025年波士顿儿童医院Rakoff-Nahoum团队利用

Tn-seq

解析拟杆菌不同菌株植物糖苷水解的差异化策略多组学与数据库驱动未来高通量工具正在将菌群协同降解研究推向精准化与规模化前沿工具与研究范式4项近50万

基因组参考数据库（GMR）2026年4月陈连民、郑琰团队构建，揭示中国人群肠道菌群独特特征B:H比值法美国系统生物学研究所开发，基于宏基因组测序