科学分类
域：细菌
界：假单胞菌界
门：拟杆菌门
纲：拟杆菌纲
目：拟杆菌目
科：拟杆菌科
属：拟杆菌属
种：多形拟杆菌
双名法：Bacteroides thetaiotaomicron
(Distaso 1912) Castellani and Chalmers 1919
多形拟杆菌是一种革兰氏阴性、专性厌氧细菌，是人类肠道微生物群中的重要成员，尤其在大肠中占主导地位。多形拟杆菌属于拟杆菌属——这一群体以其在肠道微生物群复杂微生物社区中的作用而闻名。其蛋白质组包含4779种蛋白质，包括一个系统，用于获取和分解人体难以消化的膳食多糖。
该细菌编码糖苷水解酶和多糖裂解酶等酶，使其能够将膳食纤维（如纤维素和半纤维素）分解为可发酵的底物。这种代谢活动产生乙酸和丙酸等短链脂肪酸，这些物质被宿主吸收并为结肠细胞提供关键能量来源。
多形拟杆菌是一种机会性病原体，在免疫功能低下个体中可能变得具有致病性。多形拟杆菌与其他共生细菌一起，能够诱导调节性T细胞的产生，这些细胞对于维持免疫耐受和防止肠道黏膜过度炎症反应至关重要。由于其适应性及其与宿主免疫和代谢系统的相互作用，多形拟杆菌成为研究共生关系、微生物生态学和肠道-宿主相互作用的模式生物。
历史与分类
多形拟杆菌于1912年首次被描述，当时命名为Bacillus thetaiotaomicron，并于1919年移至拟杆菌属。种名"thetaiotaomicron"源自希腊字母theta、iota和omicron；《国际原核生物命名法规》中的"有效命名原核生物名称列表"将其解释为"与空泡化形态有关"。该名称在《国际原核生物命名法规》中被用作"任意"物种名称的示例。
拟杆菌门细菌以其独特的运动性为特征，存在于各种生态系统、栖息地、生活方式和生理条件中。拟杆菌属代表了人类肠道中最突出的细菌，尤其是在西方文明社会的人群中。尽管在人类中大量存在，但其确切分布因个体而异，并可能受到宿主基因组、饮食和其他因素的影响。
进化
多形拟杆菌是人类肠道微生物组中的一种常见细菌，它与人类共同进化以支持消化和整体健康。随着时间推移，这种细菌发展出将复杂碳水化合物分解为简单糖类的能力，这有助于宿主物种从所吃食物中获取更多能量。多形拟杆菌拥有一系列专门的酶，使其能够处理人类肠道中发现的各种植物纤维和其他膳食成分。由于这些适应性，它已成为肠道生态系统的重要组成部分，通过在维持平衡微生物组中发挥重要作用，使自身和宿主都受益。
多形拟杆菌的进化似乎受到其人类宿主不断变化的饮食和免疫系统的影响，这影响了细菌的遗传和功能特征。例如，它拥有帮助其检测和响应不同营养物质的基因，这使其在面对饮食变化时更具韧性。多形拟杆菌在宿主生命的不同阶段偏好不同的营养物质，特别是在婴儿断奶前后的时期。在哺乳期，它偏爱母乳中的寡糖和宿主提供的其他碳水化合物。断奶后，它偏好植物来源的多糖，如饮食中发现的多糖。它还在调节宿主免疫系统方面发挥作用，减少炎症并促进稳定的肠道环境。这种关系反映了复杂的共同进化，其中人类宿主和多形拟杆菌都受益，表明肠道微生物组与人类健康之间的相互关联程度。
肠道微生物群内合作的进化，特别是涉及多形拟杆菌的合作，突显了肠道微生物如何适应共存甚至与彼此及其宿主合作。这种合作使多形拟杆菌能够获取营养并在复杂、竞争激烈的肠道环境中生存。随着时间推移，进化压力塑造了这种细菌的代谢途径和通讯机制，使其能够在与宿主的共生关系中茁壮成长，通过互利互动增强微生物生存和宿主健康。
宿主范围
多形拟杆菌已从人类、牛、猪、山羊和小鼠中分离出来。多形拟杆菌菌株GA17与人类特别相关。
基因组
多形拟杆菌的基因组于2003年测序。它是一条双链DNA的环形染色体，长度为6.26兆碱基，但具有相对较少的独特基因。这是由于编码蛋白质的基因与其他原核生物相比异常大。这一基因组特征与该属的另一成员脆弱拟杆菌共享。
人类微生物组计划通过广泛的16S rRNA分析发现，该基因组包含与分解多糖相关的基因，包括糖苷水解酶和多糖裂解酶，以及淀粉结合蛋白。
多形拟杆菌具有淀粉利用系统(Sus)，该系统允许细菌将复杂多糖结合到细胞表面，并由外膜酶将其分解为简单糖类。多形拟杆菌消化的多糖被转化为单糖，然后可以被人类细胞吸收用于代谢。Sus的利用使这种细菌能够调节复杂多糖的表达，从而获得相对于其他细菌的优势。
这些基因以及ECF型σ因子使多形拟杆菌能够将营养物质的可用性与特定基因的表达相关联。该基因组还包含许多编码参与感知和响应细胞外环境的蛋白质的基因，如σ因子和双组分系统。编码消化酶的基因与细胞外功能σ因子和信号转导系统的共定位，创造了一种基于环境中营养物质可用性调节基因表达的机制。
多形拟杆菌基因组编码大量小非编码RNA，这些RNA在调节过程中也起着关键作用。多形拟杆菌具有几种不同类型的移动遗传元件，包括一个33千碱基的质粒、63个转座酶和四个接合转座子CTnDOT的同源物。CTnDOT编码对红霉素和四环素的抗生素抗性，并可在拟杆菌物种之间水平转移。
代谢
多形拟杆菌能够代谢非常多样化的、否则难以消化的多糖，如直链淀粉、支链淀粉和普鲁兰多糖。其用于水解糖苷键的酶组合是原核生物中已知最大的之一，能够水解生物多糖中几乎所有的糖苷键。作为分解植物多糖的人类肠道菌群主要生物，它可以根据营养物质的可用性使用膳食碳水化合物以及来自宿主的碳水化合物。
复杂的植物多糖在结肠中被用作食物来源。复杂的多糖在结肠中发酵产生乙酸和丙酸等短链脂肪酸。这些短链脂肪酸为结肠细胞提供能量来源，并具有抗炎特性。多形拟杆菌还依赖糖酵解、Embden-Meyerhof-Parnas (EMP)途径和发酵来代谢糖类。
多形拟杆菌能够通过其获取足够营养物质的卓越能力，在人类结肠中众多其他肠道细菌中占据主导地位。这是由于降解酶的糖基水解酶数量增加、膜结合蛋白和糖特异性转运蛋白的综合作用。多形拟杆菌产生172种糖基水解酶，超过任何其他已测序细菌。
所有拟杆菌都采用多糖利用位点(PULs)，其基因簇编码靶向和降解碳水化合物的系统。这些系统的一部分是碳水化合物活性酶，可以非常有效地降解饮食中发现的复杂碳水化合物。已确定三种不同的PULs使用RG-II（一种结构最复杂的膳食碳水化合物）作为底物。RG-II降解组包含23种酶，靶向RG-II中的顺序糖苷连接。
多形拟杆菌具有耐氧性，暴露于氧气时可以存活但不能生长。在真核宿主环境（如人类肠道）中，可能会产生过氧化氢等活性氧物质。为了将氧气浓度降低，多形拟杆菌表达多种蛋白质清除活性氧。
人类微生物组中的作用
拟杆菌属的成员约占成人人类肠道中微生物群的四分之一。在对临床样本中拟杆菌物种的长期研究中，多形拟杆菌是第二常见的分离物种。它对人类至关重要，因为它能够消化肠道内酶无法消化的植物材料。
多形拟杆菌是一种共生体，为宿主提供关键益处，如消化。多形拟杆菌拥有的糖基水解酶数量远远超过其他细菌，其中61%位于外膜或细胞外基质中。糖基水解酶表达23种特定的酶功能，为宿主甚至肠道菌群中的其他微生物提供水解产物。它还具有调节上皮糖基合成的能力，能够检测营养物质并在环境中存在很少时部署构建和修饰糖基的宿主酶。
先前的研究表明，多形拟杆菌在出生后肠道发育过程中刺激血管生成，即新血管的形成。血管生成通过增加人类吸收微生物帮助产生的营养物质的能力来使宿主受益。
多形拟杆菌主导肠道微生物组，并通过肠道中黏膜屏障的形成帮助肠道的产后发育，这在维持宿主-微生物群稳态方面起着重要作用。位于肠道上皮和微生物群之间的黏膜屏障是半透性的，允许吸收必需营养物质，同时限制病原分子的通过。胃肠道中定植的肠道微生物组中近90%的细菌属于拟杆菌门或厚壁菌门。多形拟杆菌能够在粘液中生长于宿主衍生的多糖的能力是其在胃肠道中持续存在的主要贡献者。
拟杆菌物种具有产生独特脂多糖的能力，这表明它具有修饰先天免疫的潜力。特别是多形拟杆菌，产生没有O抗原的小脂寡糖。这些脂多糖和脂寡糖的丰富性表明它们可能起到允许宿主和共生微生物之间通信的作用。
免疫反应中的作用
多形拟杆菌是人类肠道微生物群的重要成员，其在免疫反应中的作用很复杂。多形拟杆菌与免疫系统之间的相互作用有助于维持肠道稳态和免疫系统的发育。由多形拟杆菌产生的细胞外囊泡具有抗炎和免疫调节特性。
多形拟杆菌与其他共生细菌一起，与调节性T细胞的诱导相关，这些细胞对于维持免疫耐受和防止过度炎症反应至关重要。
外膜囊泡不仅有助于保护多形拟杆菌免受降解，还在促进调节性树突状细胞反应方面发挥主要作用。健康肠道中的多形拟杆菌外膜囊泡刺激结肠树突状细胞表达IL-10。溃疡性结肠炎和克罗恩病患者中的多形拟杆菌外膜囊泡无法刺激IL-10表达，导致调节性树突状细胞丧失。这些结果也在患有非活动性疾病患者中观察到，表明炎症性肠病中的免疫反应缺陷是内在的。
病理学
多形拟杆菌也是一种机会性病原体，可以感染暴露于肠道菌群的组织。在肠道内受限时，多形拟杆菌通常与宿主保持有益关系。然而，如果将其引入无法有效与这种细菌相互作用的身体其他区域，它可能会产生有害影响。在胃肠道破裂的情况下，多形拟杆菌可以从肠道释放出来，可能导致菌血症等疾病。多形拟杆菌还会在组织中引起细菌感染，引发免疫反应并促进脓肿形成。
由于其多糖代谢能力，多形拟杆菌为肠道微生物组中的其他成分提供了食物来源。例如，细菌表达唾液酸酶，但不能分解唾液酸。因此，它们的存在增加了肠道中可用于其他生物体作为能量的唾液酸量。这种能力允许艰难梭菌等病原菌的生长，后者使用唾液酸作为碳源。同样，多形拟杆菌已被证明由于其能够丰富大肠杆菌等病原体的营养物质可用性，从而加剧致病性大肠杆菌感染。
研究
由于其分解复杂多糖的能力，特别是那些人类无法适当消化的膳食纤维，多形拟杆菌已成为了解人类肠道微生物群的模式微生物。多形拟杆菌在肠道健康中发挥着重要作用，特别是关于其抗炎特性，这在炎症性肠病和克罗恩病等疾病中很重要。关于结肠炎的研究表明，多形拟杆菌增强了黏膜屏障，调节肠道微生物群的免疫反应，并抵消了炎症性肠病患者中通常观察到的生态失调。在小鼠炎症性肠病的研究中，发现多形拟杆菌与普拉梭菌结合时可缓解结肠炎。
其完全测序的基因组使多形拟杆菌能够进行基因操作。研究发现，多形拟杆菌可以被设计为长期存储对环境条件的响应。研究还表明，当暴露于胆汁时，多形拟杆菌会产生生理适应，使其能够增加定植能力。这些胆汁诱导的适应包括增强的应激耐受机制和增加的外排泵产生，最终提供对有害物质（如抗生素）的交叉保护。
多形拟杆菌已被评估为粪便污染的指标。来自不同宿主物种的粪便会导致各种健康风险。研究发现，特定的多形拟杆菌标记物，特别是与人类相关的多形拟杆菌菌株GA17，是粪便污染的准确指标。多形拟杆菌在人类中的存在比非人类更大，这使其成为人类粪便存在的良好指标。测试的准确性加上在样品中识别多形拟杆菌的更快分析时间，使这些细菌成为未来粪便污染识别的合格候选者。
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