Nat Microbiol?|?倪岳瓊等系統性揭示腸道菌群酶對膳食植物營養素的生物轉化及其健康效應

關于什么是健康飲食及其與疾病的關系，科學界的認識在不斷的演變。隨著對二者關聯認識的深入，研究發現，相較于傳統的西方飲食模式，以植物為主的膳食模式（包括水果，蔬菜，全谷物等）有助于身體健康且利于環境的可持續發展。然而，盡管制定普適性飲食策略用于防治疾病這一概念頗具吸引力，我們不得不面對個體對相同食物的差異性反應這一現實。腸道微生物組是導致這種差異的主要因素之一，其組成和功能影響著對食物的代謝反應（如血糖指數變化），同時飲食帶來的微生物代謝產物的變化還會進一步影響生理穩態及代謝性疾病發生發展，這凸顯了在個性化飲食建議中將微生物組納入考量的重要性。

以往的膳食研究主要基于150種宏量營養素（如脂肪、蛋白質和碳水化合物等），并側重于將整體飲食模式與健康結果相關聯，而非從生化角度出發。然而人類食物具有巨大的化學多樣性——包含超過26000種主要源自植物的獨特小分子【1】，其中許多具有生物活性，且會受到腸道菌群龐大酶庫的生物轉化作用。相較于腸道菌群對藥物代謝的研究【2,3】，關于腸道菌群對植物性食物來源化合物（后稱植物營養素）的生物轉化及其與人類健康關聯的研究還處于初級階段【4,5】，且多聚焦于單一化合物或特定微生物群落，尚未開展大規模系統研究。

2025年12月3日，德國萊布尼茨漢斯諾爾研究所 (Leibniz-HKI)Gianni Panagiotou教授團隊與上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院倪岳瓊研究員團隊合作，在Nature Microbiology刊文Gut microbiome-mediated transformation of dietary phytonutrients is associated with health outcomes（圖1）。通過對5,554份全球腸道宏基因組與多種生物化學數據庫進行整合，結合體外與體內實驗，系統性揭示了膳食植物營養素如何被腸道微生物及其酶生物轉化，以及這些轉化過程與人體健康之間的關聯。

研究團隊整合了多個與酶反應以及食物健康效應相關的生物信息學數據庫（如KEGG, Brenda等），并對全球來自不同地區的3,068份公開獲取的人類宏基因組數據進行分析（圖2），以獲取腸道分類組成以及功能潛力。生信分析表明，腸道微生物中存在大量具有潛在的植物化合物（植物性食物包含的化合物）轉化能力的酶，共涉及755種不同的植物化合物。且這些功能并非集中在少類物種，而是分布在多個系統發育分支。此外，研究團隊還發現，與59種常規益生菌相比，人類腸道菌群在此類代謝功能上既有共性又有獨特性的優勢。基于上述預測結果，研究團隊選取了幾種代表性的腸道微生物，通過體外實驗驗證其對多種植物化合物的轉化能力。結果確認 E. ramulus , O.splanchnicus 和 B. uniformis 三種代表性菌株能夠完成特定的代謝反應，其中 E. ramulus 的代謝活性尤為突出。

圖1: 腸道微生物群介導的膳食植物化合物轉化與疾病健康相關

進一步比較顯示，腸道微生物對植物化合物的轉化功能在不同個體之間以及不同地理區域間均存在差異。具體而言，不同個體可潛在代謝的植物化合物的數目差異較大，范圍在264到620之間。基于不同大洲的beta diversity多樣性分析同樣揭示了這種代謝潛能的差別。此外，研究還發現年齡和BMI對植物化合物的代謝都有潛在影響 ， 例如：通過關聯分析發現BMI與參與植物化合物代謝的腸道微生物酶數目呈負相關 。

圖2: 研究設計以及用于關聯腸道微生物群與膳食植物營養素的研究方法及數據庫。

研究團隊還整合了2,486份多種疾病（炎性腸病，IBD; 非酒精性脂肪肝，NAFLD; 結直腸癌，CRC）相關的病例-對照腸道微生物組數據，用于評估不同健康狀態下腸道菌群對植物化合物的轉化潛力。結果表明，健康人群與患病人群的微生物組對植物化合物的轉化存在顯著差異，例如，基于植物化合物代謝酶的機器學習模型可有效區分健康人與IBD患者（驗證隊列AUC= 0.793）。模型特征 Alistipes finegoldii 來源的EC 4.1.99.1 (色氨酸酶) 在健 康對照中豐度 更高 ，且與 色氨酸水平呈 顯著負相關 ，提示 腸道微 生物 可能通過對植物化合物的生物轉化激活其對宿主的有益 作用 。

隨后 ， 研究團隊 在無特定病原體 (SPF) 與 無菌 (GF) 小鼠 腸炎 模型中， 通過飼喂草莓 進一步評估 了其所含 植物化合物在體內的作用機制 。 實驗 結果顯示 ：在SPF 條件下 中，草莓可以發揮明確的抗炎效果；在無菌條件下，這一效果顯著減弱。 接著對 SPF 小鼠進行糞便宏基因組和宏轉錄組數據分析，篩選出可能在緩解腸炎中發揮作用且與草莓植物化合物代謝相關的腸道菌源酶。相關結果進一步表明植物性 食物的健康效應 部分 依賴于腸道微生物中關鍵酶的豐度與表達水平。

綜上所述，本研究系統性揭示了腸道菌群來源的多種酶對植食性化合物的轉化能力，同時這種潛能在健康與疾病個體之間存在顯著差異，強調了僅從飲食結構來定義健康飲食的局限性以及腸道菌群在其中的重要作用。這些發現為提升 植食性飲食 的營養價值提供了新思路，比如靶向調控微生物功能、開發新一代益生菌、設計 新型發酵食物等 功能性食物，以及推動個性化營養策略的建立。

德國萊布尼茨漢斯諾爾研究所博士研究生張璐和 Andrea Marfil-Sánchez 為本文共同第一作者。 上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院倪岳瓊 研究員與 德國萊布尼茨漢斯諾爾研究所Gianni Panagiotou教授 為本文共同通訊作者。研究得到了E MBL 歐洲分子生物學實驗室 Michael Zimmermann 教授團隊以及丹麥技術大學 Morten O.A. Sommer 教授團隊的大力支持。

https://www.nature.com/articles/s41564-025-02197-z

制版人： 十一

參考文獻

1. Barabási, A. L. et al. The unmapped chemical complexity of our diet.Nat Food.1, 33–37 (2020).

2. Zimmermann, M., Zimmermann-Kogadeeva, M., Wegmann, R. & Goodman, A. L. Mapping human microbiome drug metabolism by gut bacteria and their genes.Nature570, 462–467 (2019).

3. Javdan, B. et al. Personalized mapping of drug metabolism by the human gut microbiome.Cell181, 1661-1679.e22 (2020).

4. Kan, J. et al. Phytonutrients: sources, bioavailability, interaction with gut microbiota, and their impacts on human health.Front. Nutr.9, 960309 (2022).

5. Beaver, L. M. et al. Promotion of healthy aging through the nexus of gut microbiota and dietary phytochemicals.Adv. Nutr.16, 100376 (2025).

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