博文
[转载]肠道菌群如何影响维生素的合成和利用（上）
||
维生素
B族维生素和维生素K是微生物和人类生理学中多种细胞过程所必需的微量营养素。传统上，这些维生素被认为主要来自饮食，但近年来的研究显示，人类肠道微生物群具备合成这些维生素的能力，提供了重要的内源性来源，这一贡献过去常被低估。
值得注意的是，微生物对宿主维生素储备的贡献正逐渐被视为维生素稳态的重要功能。在结肠中，微生物合成的维生素能够通过特定的运输机制被吸收，以发挥其生物学作用。
01什么是维生素、分类、来源什么是维生素？
维生素是一类化学结构各异的有机化合物，人体只需要很少的量，但它们对维持细胞和全身的生理功能至关重要。
与提供结构或能量的宏量营养素（如碳水化合物、蛋白质和脂肪）不同，维生素主要通过作为辅因子或辅酶前体的形式发挥作用，帮助酶完成各种反应，这些反应涉及能量代谢、物质合成、氧化还原调节和细胞信号传导。
即使是轻微的维生素缺乏，也可能损害代谢的完整性，并增加患贫血、神经退行性疾病和免疫缺陷等多种疾病的风险。
分类
根据溶解性和生理特性，维生素通常分为水溶性和脂溶性两类。
• 水溶性维生素
水溶性维生素包括B族维生素（维生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9和B12）和维生素C。它们通常作为辅基或辅酶参与酶促反应，尤其是在能量代谢、核苷酸合成和一碳单位转移反应中。由于其亲水性，水溶性维生素不易在体内储存。
• 脂溶性维生素
脂溶性维生素（维生素A、D、E和K）通过脂类介导的途径被吸收，并储存在脂肪组织和肝脏中，形成一个相对稳定的储备。
脂溶性维生素的功能更偏向于调节而非催化，但对于维持正常的视力、免疫调节、抗氧化防御以及钙磷平衡至关重要。比如，维生素K是凝血因子中谷氨酸残基γ-羧化反应的辅因子。
来源
• 大部分维生素依赖饮食获取或微生物产生
值得注意的是，由于人体无法合成大多数维生素，因此它们是必需的营养素。只有少数例外，如维生素D，它可以在紫外线照射下由皮肤中的7-脱氢胆固醇合成。对于其他所有维生素，人体主要依赖饮食和微生物的产生来获取。
• 肠道菌群合成维生素的能力对人体代谢非常重要
与高等真核生物不同，许多细菌物种具备从头合成必需辅因子的遗传机制，包括维生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、叶酸（B9）、B12和甲萘醌（K2）。
其中，6种B族维生素（B1、B2、B3、B5、B6和B9）是关键的辅酶前体，这些辅酶在细菌和哺乳动物中发挥作用，如硫胺素焦磷酸（TPP）、黄素单核苷酸/黄素腺嘌呤二核苷酸（FMN/FAD）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD/NADP）、辅酶A（CoA）、磷酸吡哆醛（PLP）和四氢叶酸（THF）。
生物素则是一种重要的羧化/脱羧辅因子，在脂肪生成、碳水化合物和氨基酸代谢中发挥重要作用。钴胺素是B12辅酶家族（包括氰钴胺素、甲基钴胺素和腺苷钴胺素）的前体，对所有动物和许多（但并非所有）细菌物种都是必需的。
因此，人们越来越关注人体肠道菌群的合成能力，将其视为B族维生素和维生素K的潜在内源性来源，并逐渐认识到它对宿主维生素稳态的功能性贡献。
这种观念的转变得益于肠道菌群检测方法学的改进和多样化，使得谷禾能够以更高更大规模的分辨率检测和功能性地解释微生物维生素的生物合成。
本文主要关注和讨论目前对人体肠道相关细菌合成B族维生素和维生素K的理解。重点关注用于研究肠道菌群产生维生素潜力的各种方法，包括基因组学、宏基因组学等，以更好地了解微生物与宿主之间的维生素相互作用，从而改善人类健康。
02肠道菌群中的维生素合成——作为维生素的来源人类肠道菌群是一个庞大且代谢活跃的微生物生态系统，包含丰富的基因功能库。随着新物种和功能的不断发现，我们对它的认识也在不断加深。
哪些证据说明肠道菌群合成维生素
（1）无菌大鼠 vs. 普通大鼠的对比实验
为了证明细菌生产的维生素，我们以一个关于维生素K的经典例子：
实验对象A（无菌大鼠）： 肠道里没有任何细菌。
给它们吃不含维生素K的食物，它们就会生病（凝血酶原水平降低，容易出血），因为它们既没从食物中吃到维生素K，肠道里也没有细菌帮忙制造。
实验对象B（普通大鼠）： 肠道里有正常的细菌。
结果： 即使吃完全一样的不含维生素K的食物，它们却很健康，凝血功能正常。
结论： 这说明普通大鼠肠道里的细菌“生产”了足够的维生素K，弥补了食物的缺失。进一步推测细菌的产量足甚至以满足生理需求。
因此以上实验表明细菌不仅仅是“产生”了维生素，而且产生的量很大，可能足够达到维持宿主健康（如正常凝血）的生理标准。
（2）人体研究
同样，在人类研究中，即使低维生素K饮食持续3-4周，也不会导致明显的维生素缺乏，除非同时使用广谱抗生素抑制肠道菌群。在这种情况下，会观察到血浆凝血酶原的明显下降，这清楚地表明了肠道菌群在维持维生素K稳态方面的重要作用。
（3）体外研究
一些计算机模拟研究也探讨了肠道菌群对宿主相关微量营养素摄入的潜在贡献，特别是关于B族维生素的膳食参考摄入量（DRI）。这些计算方法发现了能够产生多种B族维生素的微生物生物合成途径，表明肠道菌群可能对宿主的微量营养素摄入产生影响。
具体来说，尽管这仍然是推测性的，但有目前研究普遍认为肠道微生物合成的维生素B3、B6、B9和B12可能占人类相应DRI的约27%-86%。
（4）结肠转运系统
此外，在人类结肠中检测到B族维生素转运系统，进一步加强了微生物和膳食维生素可能协同作用，维持全身维生素稳态的观点。然而，由于微生物产生的维生素在结肠环境中的实际生物利用度仍未得到充分表征，需要进一步明确的研究。
!
注意局部和全身
与小肠中吸收效率明确的膳食维生素不同，微生物合成的维生素吸收取决于其化学形式和宿主转运蛋白的能力。例如，结肠中存在大量微生物合成的类咕啉素（包括维生素B12的变体），其结构常与具有生物活性的钴胺素不同，导致人类宿主的生物利用度降低。
此外，微生物合成的B族维生素主要满足自身的代谢需求，因此，与膳食来源相比，剩余部分（无论是主动分泌还是通过细菌细胞自发裂解释放）所占比例可能较小。
同时，微生物产生的维生素在塑造局部肠道环境（特别是在肠腔内和黏膜界面）中具有重要的生物学意义。已知这些维生素可以支持结肠上皮细胞的代谢需求，影响屏障完整性，调节局部免疫反应，并发挥抗氧化和保护作用。
03哪些菌合成什么维生素谷禾数据库整理了大样本人群微生物基因组参考集合的基因组学研究，初步细致地刻画了肠道微生物群中各个成员合成维生素的潜力。
▸ 谁能自己造维生素？
把这些信息汇总到“门”(phylum)这一分类层级时，拟杆菌门（Bacteroidota）和假单胞菌门（Pseudomonadota）中“维生素原养型”（prototrophic，能从头合成某种化合物）的物种比例更高。
这两个门里包含能够合成几乎所有B族维生素的物种，但维生素B12（钴胺素）是个例外：大约只有30%的拟杆菌门基因组和约42%的变形菌门基因组显示出合成B12的潜力。
• 拟杆菌属和大肠杆菌是重要的B族维生素生产者
Bacteroides（拟杆菌属）： 一些拟杆菌属的成员可以合成全部八种B族维生素。
E.coli（大肠杆菌）, Phocaeicola dorei, Bifidobacterium（双歧杆菌属）, Segatella copri（以前叫Prevotella copri）： 这些也是肠道中B族维生素的重要生产者。
• 放线菌和芽孢杆菌中能产生维生素的较少
相对地，放线菌门（Actinomycetota）和芽孢杆菌门（Bacillota）中维生素“营养缺陷型/需外源型”（依赖外部来源满足维生素需求）的成员比例更高。
注：研究数量有限，仅供参考
doi：10.20517/mrr.2025.66
▸ 肠型可能影响维生素的合成能力
• 不同肠型擅长合成的维生素不同（仅供参考）
肠道菌群的组成（肠型）会影响维生素的合成能力。
肠型1（以Bacteroides为主）： 更擅长合成生物素、核黄素和泛酸。
肠型2（以Prevotella copri为主）： 更擅长合成硫胺素和叶酸。
• 谁是维生素“消费者”？
Faecalibacterium prausnitzii（普拉梭菌）： 它会消耗多种B族维生素，尤其是核黄素，核黄素能帮助它在肠道内抵抗氧化。
尽管基因组研究已阐明单个菌株或基因组的生物合成能力，现有方法仍较少将这一视角扩展至整个微生物群落，因此尚难在人群层面绘制维生素生物合成潜力图谱。
现有研究和谷禾的研发表明，特定微生物类群通过其生物合成能力模式和维生素利用策略，在塑造肠道维生素“生态”中起着关键作用。深入理解不同类群对维生素代谢的特异性贡献对于阐明微生物群与宿主营养状态的功能性相互作用至关重要，这些认识还可能指导基于微生物组的干预策略设计，以优化维生素可获得性并解决营养缺乏问题。
在此背景下，比如用能分泌叶酸的乳酸菌做发酵剂，生产叶酸强化乳制品；也在筛选肠道来源的产叶酸菌作为潜在益生菌，用于改善维生素供应。这些例子说明：关于微生物维生素代谢的知识可以转化为食品和治疗策略，最终为利用肠道微生物群有益代谢潜力的营养学方法铺平道路。
04微生物-微生物及微生物-宿主相互作用对维生素可用性的影响尽管人们越来越认识到人类肠道菌群具备合成维生素的能力，但最近的研究强调，肠道菌群中维生素的可用性并非仅仅由生物合成能力决定，还受到微生物群落内部以及宿主处复杂的代谢相互作用的影响。
这些动态过程包括微生物之间的交叉代谢、维生素摄取的竞争以及宿主介导的吸收，所有这些因素共同塑造了最终的营养产出。
▸ 微生物—微生物互作
在微生物层面，维生素的交叉喂养代谢源于不同分类群之间生物合成能力的不均匀分布，且这种差异不仅存在于亲缘关系较远的类群间，也体现在同一属内的不同物种之间。
最近的研究中，研究人员利用 SEED 平台分析了一个包含2000多个经过人工校对的人类肠道细菌基因组的参考数据集。该平台整合了所有已知和推断的生物合成及补救途径组件，包括酶和转运蛋白。这一方法通过预测不同分类等级中原养型（可自身合成）和营养缺陷型（需外部获取）菌株的比例，实现了对维生素生物合成潜力变异性的定量评估。这些跨越不同维生素和分类级别的保守性与变异性模式，为微生物群落中的潜在代谢相互作用奠定了基础。
• 原养型微生物的产物可能支持缺陷型的生长
当原养型和营养缺陷型微生物共存于同一生态位时，这种差异可能导致代谢相互依赖，即原养型微生物释放的代谢产物或中间体能够支持营养缺陷型微生物的生长和代谢功能。
一个明显的例子是维生素B12，这一结构复杂且代谢成本高昂的辅助因子。由于完整生物合成途径需高昂的代谢成本和遗传负担，只有少数厌氧肠道细菌（主要属于厚壁菌门和放线菌门）能够自主生产维生素B12。
然而，这种辅助因子对许多群落成员至关重要，众多成员已进化出高亲和力的转运系统以从环境中获取。例如，Anaerobutyricum hallii（以前称E.hallii）是一种特征明确的丁酸产生菌，能够合成维生素B12，而嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia）则通过共生利用该维生素进行丙酸的合成。
同样，在肠道微生物群落模型中，缺乏叶酸合成能力的Roseburia intestinalis M50/1生长受到经体外验证的叶酸原养型菌株双歧杆菌Bifidobacterium bifidum CNCM I-3650的益处。这些发现表明，原养型细菌可以通过主动交换代谢物和微量营养素，或通过被动机制（如细胞裂解并释放胞内维生素），来缓解共存菌株的营养缺陷。
这些以维生素为媒介的相互作用不仅是合作性的，竞争也在塑造人类肠道维生素可用性方面起着关键作用。
维生素的可用性受微生物间相互作用等的影响
doi: 10.20517/mrr.2025.66.
• 肠道微生物群会竞争有限的维生素资源
微生物通过产生维生素结合蛋白和利用特定转运蛋白，与其他群落成员竞争有限的维生素资源。因此，肠道环境可视为一个严格调控的微量营养素市场，其可用性由生物合成能力和摄取效率共同决定。
例如，多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron）表达三种功能性、同源的维生素B12转运系统以获取钴胺素。这些转运蛋白对不同类咕啉类似物表现出独特的特异性，这可能为其在竞争激烈的人类肠道环境中提供选择性优势，同时也体现了肠道微生物为确保获得必需辅助因子所采用的复杂策略和巨大努力。
▸ 微生物—人体互作
宿主与微生物之间的相互作用使这一网络愈加复杂。实际上，宿主通过免疫调节、结肠吸收、粘液分泌和饮食等方式，间接影响维生素的动态变化，从而影响微生物的组成和功能。
• 不同年龄的肠道菌群组成影响维生素合成能力
最近的研究显示，年龄和地理起源等宿主因素显著影响人类肠道菌群的维生素生物合成潜力。具体而言，肠道菌群的测序分析表明，婴儿期维生素B9（叶酸）和K2的生物合成途径非常普遍，这与能合成叶酸的双歧杆菌属（Bifidobacterium spp.）的主导地位以及能够产生维生素K2的大肠杆菌（E.coli）的存在相一致，这些都是早期肠道微生物组的特征。
另一项研究将人群按年龄分组（从几个月大到80岁以上），并将微生物特征与年龄进行关联分析。结果显示，新生儿组（0-4岁）的微生物与参与硫胺素（维生素B1）和烟酸（维生素B3）生物合成的酶呈正相关，表明这些维生素路径与生命早期相关，这与老年组形成对比。
成人的肠道菌群则富含Bacteroides和Prevotella copri，展现出更广泛的代谢能力，因为这些类群通常是维生素B的原养型生物，具备多种B族维生素的完整生物合成途径。
• 不同地区的饮食和生活方式导致维生素合成能力差异
此外，新兴证据表明，地理起源导致全球不同人群肠道菌群在B族维生素生物合成能力上的差异，可能与饮食和生活方式相关因素影响肠道菌群的组成和功能有关。
在这个复杂的生态和代谢网络中，结合本地大数据库明确哪些微生物类群在结肠中参与维生素生物合成、这些维生素是否被宿主吸收以及哪些因素影响其产生，对于理解微生物群对宿主的营养贡献至关重要。这也有助于设计针对微生物群的策略（如益生元、益生菌或工程菌群），以改善维生素状况。
未完见下篇。
本文转自：谷禾健康
https://blog.sciencenet.cn/blog-2040048-1540682.html
上一篇：[转载]硒的生理功能、缺乏危害，与肠道微生物群的互作及补充策略（下）
下一篇：[转载]肠道菌群如何影响维生素的合成和利用（下）
