近三十年来,炎症性肠病(Inflammatory bowel diseases,IBD)的发病率在世界范围内迅速升高,严重威胁着人类的生命健康和生活质量。尽管有研究发现IBD的发病表现出一定的家族遗传特性,也鉴定出160多个人体基因与IBD相关,但是IBD发病率的迅速攀升并不能单纯地归结于遗传因素,真正起关键作用的是包括肠道菌群在内的环境因素。已有许多研究发现IBD患者肠道菌群结构的重要特征是一些机会性致病菌丰度的增多和丁酸盐产生菌(Butyrate-producing bacteria,BPB)类群的减少。人为将丁酸盐产生菌回接到IBD患者肠道内可能是以菌群为靶点的IBD治疗的新的突破口。丁酸盐产生菌有望成为针对IBD的新一代的益生菌。然而,丁酸盐产生菌作为肠道菌群内的一个功能类群,多样性极为丰富,代谢通路各异,关键功能基因序列也各有特点。人体肠道内仍存在大量未被分离培养的丁酸盐产生菌菌株。目前已被报道的丁酸盐产生菌的抗炎作用都还停留在细胞或动物模型,且接种丁酸盐产生菌后对宿主菌群结构的影响并未被深入研究。因此,本论文从健康人体内分离得到丁酸盐产生菌,在葡聚糖硫酸钠(Dextran sulfate sodium,DSS)诱导的肠炎小鼠模型中评价不同丁酸盐产生菌的生理功能,并研究丁酸盐产生菌对宿主肠道菌群的调节作用及其与宿主健康之间的关系。首先,本研究利用厌氧培养的方法,从一位健康成年男性志愿者的粪便样品中分离得到29株BPB候选菌株,并对其中最近邻居是典型BPB的3株代表菌株进行了详细的生理生化特性和形态学鉴定,并完成了3株BPB的全基因组测序和比较基因组学分析。根据各自16S rRNA基因的最近邻居,将三株代表菌株命名为Anaerostipes hadrus BPB5(相似性99.73%)、Eubacterium sp.BPB21(相似性96.00%)和Eubacterium rectale BPB22(相似性99.80%),BPB21可能是一个新的微生物种。三株菌均为严格厌氧菌,在体外YCFAGSC培养基中都产生丁酸和氢气,但都不大量消耗乙酸,其中BPB5可产生10.81 mM的丁酸,而BPB22的丁酸产量达到22.44mM。BPB21形态奇特,菌体呈丝状并顺时针相互缠绕,且末端成环。三株菌中,BPB5的碳源利用谱最广,能够特异性地利用蔗糖、山梨糖、甘油和菊粉,其基因组中包含更多数量的蔗糖和菊粉代谢相关基因。对丁酸产生相关基因进行分析发现,三株BPB的基因组中都包含构成至少一条完整丁酸产生通路的多个相关基因,其中BPB5和BPB22利用丁酰辅酶A:乙酰辅酶A转移酶,而BPB21利用丁酸激酶产生丁酸。基于全基因组序列的安全性评估结果发现,三株BPB基因组中均未找到已知的能够直接对宿主造成危害的毒力基因,而其他的潜在风险因子(如抗生素抗性基因和基因间插入序列)数量与典型益生菌类似,并且远低于典型病原菌。三株丁酸盐产生菌可作为益生菌的候选菌株,但生理效应还需在动物模型中进行验证和深入研究。然后,我们利用DSS诱导的小鼠肠炎模型评价了丁酸产生能力较强的两株人源丁酸盐产生菌的生理功能。发现Eubacterium rectale BPB22对DSS诱导的小鼠肠炎的恢复有一定的促进作用,而对健康小鼠无害的Anaerostipes hadrus BPB5却能够显著加重DSS诱导的小鼠肠炎。实验中我们评价了小鼠炎症水平,测定了肠道内丁酸产量,利用高通量测序的方法动态监测了小鼠疾病发展过程中肠道菌群结构变化,并深入探究了BPB5与小鼠肠道菌群的相互作用对于BPB5在两种状态小鼠体内表现出不同生理功能的潜在贡献。结果表明,给健康小鼠灌胃BPB5能够增加动物盲肠内容物中的丁酸含量,且未观察到任何有害的现象。但是在DSS诱导的结肠炎小鼠模型中,灌胃BPB5或BPB22都不能增加小鼠盲肠中的丁酸含量。BPB5反而引起小鼠发生比单纯DSS处理组更严重的体重下降和疾病活动指数上升,并最终导致更高的死亡率;BPB22灌胃组则在DSS停药后对小鼠的肠炎症状的恢复有一定的促进作用。在健康小鼠体内,灌胃BPB5不能引起肠道菌群结构的显著变化,而在DSS诱导的肠炎小鼠模型中,灌胃BPB5使小鼠菌群结构提前3天向DSS处理引起的重度肠炎特征菌群方向变化。对83个响应DSS和BPB5处理的关键操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU)的共变化网络分析结果发现,BPB5与Akkermansia被划分到同一个共变化组(Co-abundance group,CAG)中,且该组的丰度在BPB5灌胃组小鼠中提前3天升高到了DSS处理组7天的水平。Akkermansia的丰度与肠炎疾病活动指数显著正相关。基于菌株全基因组序列的潜在代谢合作分析结果表明,BPB5可能通过为Akkermansia的生长提供碳源、氨基酸和维生素等13种必需的代谢底物来促进后者的提前快速增殖。综上所述,本研究发现同一来源的两株不同的丁酸盐产生菌菌株在DSS诱导的肠炎小鼠模型中表现出相反的生理功效。同一株丁酸盐产生菌对健康和肠炎动物模型的生理指标和肠道菌群结构的影响表现出巨大差异,再一次表明肠道菌群在结肠炎疾病发展过程中的重要作用,也说明肠道菌群成员的功能不仅具有菌株特异性,同时也依赖于宿主的健康状态和肠道菌群结构。本研究的结果提示我们在将任何具有潜在益生作用的细菌用于临床干预之前,必须对其安全性进行严格的全面评估,而安全性评估需要纳入肠道菌群失衡的动物模型,并充分评价候选菌株对宿主菌群结构的影响。