研究背景
炎症性肠病(IBD)是一种慢性肠道炎症性疾病，其中溃疡性结肠炎(UC)是主要类型之一。近年来，随着生活方式的改变和饮食结构的西化，UC的发病率在全球范围内呈上升趋势。研究表明，肠道微生物群落与UC的发生发展密切相关，而结构变异(Structural Variations, SVs)作为微生物基因组中的重要变异类型，对微生物表型有显著影响。然而，目前对于SVs在UC发展中的作用机制尚不清楚。
2025年3月，南京医科大学第二附属医院张发明教授与中国科学院微生物所王军的合作团队在Gastroenterology杂志发表了一篇题为“Structural Variations in Ulcerative Colitis-Associated e. Coli Reduce Fructose Utilization and Aggravate Inflammation Under High Fructose Diet”的文章，揭示了UC相关大肠杆菌(Escherichia coli, E. coli)的结构变异如何通过影响果糖利用能力来加剧炎症，为UC的发病机制研究提供了新的视角，也为临床治疗提供了潜在的新靶点。
研究方法
本研究是一项基于长读长(ONT)和短读长(Illumina)宏基因组测序的病例对照研究，旨在探究UC患者肠道中E. coli的结构变异对其果糖代谢功能及炎症的影响。研究共纳入93例未经治疗的UC患者和100名健康对照(HCs)，对其粪便样本进行宏基因组测序，并从粪便样本中分离出648株E. coli菌株。通过对这些菌株的全基因组测序或靶向PCR，验证了与果糖代谢相关的scrK基因缺失情况。随后，选取具有代表性的UC菌株、HC菌株以及scrK基因敲除的E. coli进行体外和体内实验，以评估特定SV对果糖利用能力和结肠炎的影响。
研究结果
UC患者肠道微生物群落的异常变化研究结果显示，与健康对照组相比，UC患者的肠道微生物群落组成存在显著差异。UC患者的整体α多样性显著降低，表明其肠道微生物群落的丰富度和均匀度下降(图1C)。基于Bray-Curtis差异的主坐标分析(PCoA)显示，UC患者与健康对照组的肠道微生物群落存在显著分化(P<0 .001，PERMANOVA;图1D)。LEfSe分析进一步揭示了UC患者肠道中富集的23个细菌类群，其中大肠杆菌(Escherichia coli)是富集程度最高的细菌(LDA > 3.0;图1E)。这些结果表明，UC患者的肠道微生物群落发生了显著的组成变化，其中大肠杆菌的富集可能是UC发病的重要因素之一。
图1 UC患者肠道大肠杆菌丰度增加注：(A) 不同分类水平下肠道微生物物种数量及比例;(B) 两组间细菌在种水平的相对丰度;(C) 通过Chao1、Shannon、Observed species和Simpson指数评估的细菌α多样性;(D) 基于Bray-Curtis距离的约束主坐标分析(CPCoA)前两个主成分展示的细菌β多样性，椭圆表示75%置信区间，差异通过PERMANOVA确定;(E) 利用线性判别分析(LDA)观察到的UC患者与健康对照间的差异细菌;(F) 两组中前30种细菌的丰度。
UC相关大肠杆菌的结构变异特征通过对E. coli基因组的结构变异(SVs)分析，研究发现UC患者肠道中的E. coli具有更高的SVs数量。具体来说，UC患者E. coli的平均插入数为60个，而健康对照组为37个(P=0.0015);UC患者E. coli的平均缺失数为63个，而健康对照组为34个(图2A)。这些SVs主要影响果糖代谢相关基因，尤其是scrK基因的缺失更为常见(图2B)。通过对12株UC菌株和12株HC菌株的全基因组测序，发现所有3株UC菌株均存在scrK基因的缺失，而仅1株HC菌株存在缺失(图2C)。进一步的靶向PCR验证显示，UC菌株中scrK基因的缺失率显著高于HC菌株(68.5% vs 36.6%，P<0.001;图2D)。这些结果表明，UC患者肠道中的E. coli在果糖代谢相关基因上存在显著的SVs，尤其是scrK基因的缺失更为常见。
图2 UC患者肠道大肠杆菌的结构变异影响果糖代谢注：(A) UC组与对照组大肠杆菌SVs数量对比(Wilcoxon检验，P<0.001);(B) SVs影响基因的功能富集分析(Fisher检验);(C) 6株大肠杆菌SV验证结果示意图;(D) 372株UC菌株和276株HC菌株中scrK基因有无的比例(卡方检验，P<0.001);(E) 果糖培养基中大肠杆菌生长浓度;(F) 细菌上清液中残留果糖浓度(HPLC-RID法)，数据为均值±标准差，统计方法为双因素方差分析/Bonferroni校正，非配对t检验，P<0.05。
UC菌株的果糖利用能力下降为了验证UC菌株的果糖利用能力，研究者将6株UC菌株和6株HC菌株分别在含有果糖作为唯一碳源的改良LB培养基中培养。结果显示，HC菌株的浓度显著高于UC菌株(图2E)，表明HC菌株的果糖利用能力更强。进一步通过高效液相色谱法(HPLC-RID)测定培养基上清液中的残留果糖浓度，结果也支持这一结论，即HC菌株组的残留果糖浓度显著低于UC菌株组(图2F)。这些结果表明，UC菌株的果糖利用能力显著低于HC菌株。
高果糖饮食下UC菌株加剧结肠炎在体内实验中，研究者将UC菌株和HC菌株分别灌胃给C57BL/6雄性小鼠，并给予10%果糖和1.5% DSS诱导结肠炎。结果显示，UC菌株显著加重了小鼠的结肠炎严重程度，表现为更高的疾病活动指数(DAI)评分(P<0.0001)、更短的结肠长度(P<0.0001)以及更高的结肠炎症指数(P=0.0001;图3A-F)。组织病理学评分也显示，UC菌株组小鼠的结肠组织损伤更为严重，炎症细胞浸润和腺体损伤更为明显(P=0.005;图3G-H)。此外，UC菌株组小鼠的结肠组织中促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和iNOS的mRNA水平显著升高(P<0.001)，而抗炎细胞因子IL-10的水平则降低(图3J)。在肠道屏障功能方面，UC菌株组小鼠的紧密连接蛋白(ZO-1、Occludin、Claudin 2)和黏蛋白(Muc2)的表达显著降低(P<0.05;图3K-N)，表明肠道屏障功能受损更为严重。这些结果表明，UC患者肠道中的E. coli的结构变异导致其果糖利用能力下降，进而加剧了高果糖饮食下的结肠炎严重程度。
图3 患者来源的大肠杆菌在高果糖饮食下加剧了结肠炎的严重程度注：(A-B) 第0-7天测量疾病活动指数(DAI)评分;(C-E) 第8天测量结肠长度和炎症;(F-G) HE染色切片的病理评分及代表性图像;(H-J) qPCR检测结肠组织中促炎基因TNF-α、IL-1β、iNOS的mRNA水平(内参：β-actin);(K-N) 免疫染色分析ZO-1、Occludin、Muc2的表达(绿色：Muc2;蓝色：DAPI);数据为均值±标准误(n=6或12/组)。
低果糖饮食下UC菌株无显著影响为了进一步验证果糖在UC菌株致病性中的作用，研究者将UC菌株和HC菌株分别灌胃给C57BL/6雄性小鼠，并给予1%果糖和1.5% DSS诱导结肠炎。结果显示，在低果糖饮食下，UC菌株和HC菌株对结肠炎的严重程度无显著差异。这表明，UC菌株在低果糖环境下对结肠炎的影响与HC菌株相似，而高果糖饮食可能是加剧UC菌株致病性的重要因素。
crK基因缺失是UC菌株致病的关键因素为了进一步验证scrK基因缺失在UC菌株致病性中的作用，研究者将野生型HC05菌株和scrK基因敲除的HC05ΔscrK菌株分别灌胃给C57BL/6雄性小鼠，并给予10%果糖和1.5% DSS诱导结肠炎。结果显示，与野生型HC05菌株相比，HC05ΔscrK菌株显著加重了小鼠的结肠炎严重程度，表现为更高的DAI评分(P=0.0004)、更短的结肠长度(P<0.0001)以及更高的结肠炎症指数(P=0.0001)。组织病理学评分也显示，HC05ΔscrK菌株组小鼠的结肠组织损伤更为严重，炎症细胞浸润和腺体损伤更为明显(P=0.009)。此外，HC05ΔscrK菌株组小鼠的结肠组织中促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和iNOS的mRNA水平显著升高(P<0.001)，而抗炎细胞因子IL-10的水平则降低。这些结果表明，scrK基因的缺失是UC菌株加剧结肠炎的关键因素。
总结
本研究深入剖析了UC相关E. coli的果糖代谢功能变化及其对炎症的影响。以往的研究多关注于肠道微生物群落的整体组成差异，而本研究通过精细的宏基因组分析，揭示了同一物种内不同菌株之间的功能差异，强调了在疾病研究中考虑菌株水平变异的重要性。此外，本研究不仅在体外验证了果糖利用能力的差异，还通过动物模型进一步证实了这种差异对结肠炎的影响，为未来的临床干预提供了有力的理论依据。未来的研究可以进一步探索其他细菌种类的结构变异对IBD的影响，以及开发针对特定菌株的治疗方法，以期为UC患者带来更多的治疗选择。
参考文献WU X, LI Y, LI P,et al. Structural variations in ulcerative colitis-associated E. coli reduce fructose utilization and aggravate inflammation under high fructose diet[J]. Gastroenterology, 2025:S0016-5085(25)00635-3. DOI: 10.1053/j.gastro.2025.03.039 .
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研究背景
炎症性肠病(IBD)是一种慢性肠道炎症性疾病，其中溃疡性结肠炎(UC)是主要类型之一。近年来，随着生活方式的改变和饮食结构的西化，UC的发病率在全球范围内呈上升趋势。研究表明，肠道微生物群落与UC的发生发展密切相关，而结构变异(Structural Variations, SVs)作为微生物基因组中的重要变异类型，对微生物表型有显著影响。然而，目前对于SVs在UC发展中的作用机制尚不清楚。
2025年3月，南京医科大学第二附属医院张发明教授与中国科学院微生物所王军的合作团队在Gastroenterology杂志发表了一篇题为“Structural Variations in Ulcerative Colitis-Associated e. Coli Reduce Fructose Utilization and Aggravate Inflammation Under High Fructose Diet”的文章，揭示了UC相关大肠杆菌(Escherichia coli, E. coli)的结构变异如何通过影响果糖利用能力来加剧炎症，为UC的发病机制研究提供了新的视角，也为临床治疗提供了潜在的新靶点。
研究方法
本研究是一项基于长读长(ONT)和短读长(Illumina)宏基因组测序的病例对照研究，旨在探究UC患者肠道中E. coli的结构变异对其果糖代谢功能及炎症的影响。研究共纳入93例未经治疗的UC患者和100名健康对照(HCs)，对其粪便样本进行宏基因组测序，并从粪便样本中分离出648株E. coli菌株。通过对这些菌株的全基因组测序或靶向PCR，验证了与果糖代谢相关的scrK基因缺失情况。随后，选取具有代表性的UC菌株、HC菌株以及scrK基因敲除的E. coli进行体外和体内实验，以评估特定SV对果糖利用能力和结肠炎的影响。
研究结果
UC患者肠道微生物群落的异常变化研究结果显示，与健康对照组相比，UC患者的肠道微生物群落组成存在显著差异。UC患者的整体α多样性显著降低，表明其肠道微生物群落的丰富度和均匀度下降(图1C)。基于Bray-Curtis差异的主坐标分析(PCoA)显示，UC患者与健康对照组的肠道微生物群落存在显著分化(P<0 .001，PERMANOVA;图1D)。LEfSe分析进一步揭示了UC患者肠道中富集的23个细菌类群，其中大肠杆菌(Escherichia coli)是富集程度最高的细菌(LDA > 3.0;图1E)。这些结果表明，UC患者的肠道微生物群落发生了显著的组成变化，其中大肠杆菌的富集可能是UC发病的重要因素之一。
图1 UC患者肠道大肠杆菌丰度增加注：(A) 不同分类水平下肠道微生物物种数量及比例;(B) 两组间细菌在种水平的相对丰度;(C) 通过Chao1、Shannon、Observed species和Simpson指数评估的细菌α多样性;(D) 基于Bray-Curtis距离的约束主坐标分析(CPCoA)前两个主成分展示的细菌β多样性，椭圆表示75%置信区间，差异通过PERMANOVA确定;(E) 利用线性判别分析(LDA)观察到的UC患者与健康对照间的差异细菌;(F) 两组中前30种细菌的丰度。
UC相关大肠杆菌的结构变异特征通过对E. coli基因组的结构变异(SVs)分析，研究发现UC患者肠道中的E. coli具有更高的SVs数量。具体来说，UC患者E. coli的平均插入数为60个，而健康对照组为37个(P=0.0015);UC患者E. coli的平均缺失数为63个，而健康对照组为34个(图2A)。这些SVs主要影响果糖代谢相关基因，尤其是scrK基因的缺失更为常见(图2B)。通过对12株UC菌株和12株HC菌株的全基因组测序，发现所有3株UC菌株均存在scrK基因的缺失，而仅1株HC菌株存在缺失(图2C)。进一步的靶向PCR验证显示，UC菌株中scrK基因的缺失率显著高于HC菌株(68.5% vs 36.6%，P<0.001;图2D)。这些结果表明，UC患者肠道中的E. coli在果糖代谢相关基因上存在显著的SVs，尤其是scrK基因的缺失更为常见。
图2 UC患者肠道大肠杆菌的结构变异影响果糖代谢注：(A) UC组与对照组大肠杆菌SVs数量对比(Wilcoxon检验，P<0.001);(B) SVs影响基因的功能富集分析(Fisher检验);(C) 6株大肠杆菌SV验证结果示意图;(D) 372株UC菌株和276株HC菌株中scrK基因有无的比例(卡方检验，P<0.001);(E) 果糖培养基中大肠杆菌生长浓度;(F) 细菌上清液中残留果糖浓度(HPLC-RID法)，数据为均值±标准差，统计方法为双因素方差分析/Bonferroni校正，非配对t检验，P<0.05。
UC菌株的果糖利用能力下降为了验证UC菌株的果糖利用能力，研究者将6株UC菌株和6株HC菌株分别在含有果糖作为唯一碳源的改良LB培养基中培养。结果显示，HC菌株的浓度显著高于UC菌株(图2E)，表明HC菌株的果糖利用能力更强。进一步通过高效液相色谱法(HPLC-RID)测定培养基上清液中的残留果糖浓度，结果也支持这一结论，即HC菌株组的残留果糖浓度显著低于UC菌株组(图2F)。这些结果表明，UC菌株的果糖利用能力显著低于HC菌株。
高果糖饮食下UC菌株加剧结肠炎在体内实验中，研究者将UC菌株和HC菌株分别灌胃给C57BL/6雄性小鼠，并给予10%果糖和1.5% DSS诱导结肠炎。结果显示，UC菌株显著加重了小鼠的结肠炎严重程度，表现为更高的疾病活动指数(DAI)评分(P<0.0001)、更短的结肠长度(P<0.0001)以及更高的结肠炎症指数(P=0.0001;图3A-F)。组织病理学评分也显示，UC菌株组小鼠的结肠组织损伤更为严重，炎症细胞浸润和腺体损伤更为明显(P=0.005;图3G-H)。此外，UC菌株组小鼠的结肠组织中促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和iNOS的mRNA水平显著升高(P<0.001)，而抗炎细胞因子IL-10的水平则降低(图3J)。在肠道屏障功能方面，UC菌株组小鼠的紧密连接蛋白(ZO-1、Occludin、Claudin 2)和黏蛋白(Muc2)的表达显著降低(P<0.05;图3K-N)，表明肠道屏障功能受损更为严重。这些结果表明，UC患者肠道中的E. coli的结构变异导致其果糖利用能力下降，进而加剧了高果糖饮食下的结肠炎严重程度。
图3 患者来源的大肠杆菌在高果糖饮食下加剧了结肠炎的严重程度注：(A-B) 第0-7天测量疾病活动指数(DAI)评分;(C-E) 第8天测量结肠长度和炎症;(F-G) HE染色切片的病理评分及代表性图像;(H-J) qPCR检测结肠组织中促炎基因TNF-α、IL-1β、iNOS的mRNA水平(内参：β-actin);(K-N) 免疫染色分析ZO-1、Occludin、Muc2的表达(绿色：Muc2;蓝色：DAPI);数据为均值±标准误(n=6或12/组)。
低果糖饮食下UC菌株无显著影响为了进一步验证果糖在UC菌株致病性中的作用，研究者将UC菌株和HC菌株分别灌胃给C57BL/6雄性小鼠，并给予1%果糖和1.5% DSS诱导结肠炎。结果显示，在低果糖饮食下，UC菌株和HC菌株对结肠炎的严重程度无显著差异。这表明，UC菌株在低果糖环境下对结肠炎的影响与HC菌株相似，而高果糖饮食可能是加剧UC菌株致病性的重要因素。
crK基因缺失是UC菌株致病的关键因素为了进一步验证scrK基因缺失在UC菌株致病性中的作用，研究者将野生型HC05菌株和scrK基因敲除的HC05ΔscrK菌株分别灌胃给C57BL/6雄性小鼠，并给予10%果糖和1.5% DSS诱导结肠炎。结果显示，与野生型HC05菌株相比，HC05ΔscrK菌株显著加重了小鼠的结肠炎严重程度，表现为更高的DAI评分(P=0.0004)、更短的结肠长度(P<0.0001)以及更高的结肠炎症指数(P=0.0001)。组织病理学评分也显示，HC05ΔscrK菌株组小鼠的结肠组织损伤更为严重，炎症细胞浸润和腺体损伤更为明显(P=0.009)。此外，HC05ΔscrK菌株组小鼠的结肠组织中促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和iNOS的mRNA水平显著升高(P<0.001)，而抗炎细胞因子IL-10的水平则降低。这些结果表明，scrK基因的缺失是UC菌株加剧结肠炎的关键因素。
总结
本研究深入剖析了UC相关E. coli的果糖代谢功能变化及其对炎症的影响。以往的研究多关注于肠道微生物群落的整体组成差异，而本研究通过精细的宏基因组分析，揭示了同一物种内不同菌株之间的功能差异，强调了在疾病研究中考虑菌株水平变异的重要性。此外，本研究不仅在体外验证了果糖利用能力的差异，还通过动物模型进一步证实了这种差异对结肠炎的影响，为未来的临床干预提供了有力的理论依据。未来的研究可以进一步探索其他细菌种类的结构变异对IBD的影响，以及开发针对特定菌株的治疗方法，以期为UC患者带来更多的治疗选择。
参考文献WU X, LI Y, LI P,et al. Structural variations in ulcerative colitis-associated E. coli reduce fructose utilization and aggravate inflammation under high fructose diet[J]. Gastroenterology, 2025:S0016-5085(25)00635-3. DOI: 10.1053/j.gastro.2025.03.039 .
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