乳酸杆菌的基因组特征分析文献综述

开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字）

研究的问题：就当下研究现状来看，乳酸杆菌作用的研究大多数为表象功能的观察，以及乳酸菌基因组测序集中在研究一株具有特定功能菌株的基因组结构、组成、生物学功能及代谢途径等。 而对于具体基因的功能深入研究较少。

采用的研究手段：本课题采用生物信息学方法，从基因组层次研究乳酸杆菌与其他细菌的差异，通过参考HMP数据库，查询注释信息，对同一属中不同菌种或同一菌种中不同株进行比较基因组学研究， 进而解析乳酸菌的基因功能，代谢网络调控以及群体遗传与物种分化过程。

1.研究背景

乳酸杆菌属乳酸杆菌科，因发酵糖产生大量乳酸而命名，酸奶中就有此菌。它作为一种生活在机体内益于宿主健康的微生物，维护人体健康和调节免疫功能的作用已被广泛认可。而乳酸杆菌在一定数量下，能够对宿主健康产生有益作用^[1]。

在中国知网期刊数据库网站以 “乳酸杆菌”作为主题词检索全部期刊文献，可以获得中文文献有6094篇。在 pubmed数据库在线分析网站以“lactobacillus”作为主题词检索则可以获得外文文献35703篇^[2]。中国知网中对于乳酸杆菌的研究最早可以追溯至1965年，早期的相关文献非常少，大多是关于研究乳酸杆菌的生物学特征，及相关的分离与培养方法。直到1995年，发文数量逐渐开始增加，也反映出研究者们对乳酸杆菌的关注度增加。但到近两年里，开始呈现下降的趋势，可能是肠道菌群的作用越来越不可忽视，研究者们更多地投入到菌群的研究当中。

对pubmed中的文献进行统计，发现早期乳杆菌的分离纯化研究最多，关于代谢和遗传学研究也较多，从1997年开始，乳酸杆菌的治疗用途的发现逐渐增加。

在对于乳酸杆菌进行研究的地区、国内外机构以及期刊排名前五位见表1。而在中文期刊里，中国微生态学杂质对于乳酸杆菌的文献报道最多，发文数量位列前3位的研究机构分别为中国江南大学、中国农业大学和东北农业大学，而发文数量较多的学者大多都来自于内蒙古农业大学。

图1

表1

表2 较多研究的乳杆菌作用

2.乳酸杆菌的研究进展

3.1疾病防治相关作用

据文献报道，乳酸杆菌主要提及与体内免疫调节、对胆固醇代谢、调节微生态平衡、营养代谢与肥胖、精神疾病调控、抗肿瘤、微量元素的产生有所作用^[3]，见表2。 这些益生菌或其代谢产物主要通过直接与肠道菌群相互作用，影响肠道微生物的代谢活动和生理功能，进而缓解肥胖、糖尿病等代谢综合症，影响人体健康^[4]。

3.1.1对多种肿瘤的抑制作用

综合国内外学者长期的研究发现，乳酸杆菌的抗肿瘤作用机制主要可以从四个方面进行阐述，即抑制肠道内致癌物质的生成、激活机体的体液免疫、激活机体的细胞免疫和促进肿瘤细胞凋亡^[5] ，除此之外，有资料报道，乳酸杆菌能结合致癌物质，然后随粪便一起排出，减少致癌物质在体内的活化以及滞留^[6]。日本的一项研究表明，女性经常食用含有干酪乳杆菌 Shirota 和大豆异黄酮的饮料可以降低乳腺癌的发病率^[7]。就当下研究现状来看，乳酸杆菌抗肿瘤的研究正处于由表象的观察向机制的深入研究转变，进一步确定乳酸杆菌与相关癌症的免疫途径。

3.1.2降低胆固醇

研究表明，大部分乳酸杆菌都具有结合胆盐并清除胆固醇的能力，但并非所有的乳酸杆菌都对胆盐具有高效的结合能力以清除胆固醇。已有大量体外实验证明，乳酸杆菌具有胆盐水解酶，可以水解培养基中的胆固醇，或是一些其他机制。例如，在高脂模型试验中，Huang^[8]

给大鼠喂养乳杆菌 ATCC4356后，大鼠体内肠道胆固醇吸收的关键转运蛋白NPC1L1 的mRNA 表达量下降，乳酸菌通过抑制NPC1L1 mrNA 的表达来调节胆固醇的吸收。

3.1.3调节肠道菌群

乳酸杆菌可以黏附在肠黏膜上皮细胞，通过自身及产生代谢物，如胞外糖苷酶可降解黏膜上皮细胞的复杂多糖，阻止潜在致病菌及其毒素在肠黏膜上皮细胞的黏附和侵入; 同时代谢产生的酸如乙酸乳酸，使环境 p H 值下降，造成肠道酸性环境保持自身的优势。例如有研究表明，植物乳杆菌YW11巴氏杀菌发酵乳能增加产丁酸的毛螺旋菌属、罗斯氏菌、瘤胃球菌属的含量,增加乳酸菌属和双歧杆菌的含量。减少与诱发炎症性肠病炎症相关丹毒丝菌属、假单胞菌属、志贺埃希菌的含量。

3.1.4改善糖尿病

目前，大量的动物试验和临床试验表明乳杆菌属的细菌和双歧杆菌属的细菌对Ⅱ型糖尿病有一定的改善作用^{[9, 10]}。不同的乳酸菌显示出不同的抗氧化活性，临床试验比较常见的有嗜酸乳杆菌，鼠李糖乳杆菌，干酪乳杆菌，保加利亚乳杆菌，植物乳杆菌^[11] 。在糖尿病背景下，动物试验和临床研究表明，益生菌的摄入可以减少氧化应激，具有缓解糖尿病的作用^[12] ,这些益生菌或其代谢产物主要通过直接与肠道菌群相互作用，影响肠道微生物的代谢活动和生理功能，进而缓解肥胖、糖尿病等代谢综合症，影响人体健康。

3.2 基因组方面的研究进展

2001 年完成了全球第 1 株乳酸菌（Lactococcus lactis sub sp. lactis IL1403）全基因组的组装和分析^[13]。 2008 年，对我国第 1 株乳酸菌Lactobacillus casei Zhang 也完成了全基因组序列的解析^[14]。 乳酸菌基因组较小，GC 含量低，重复序列少， 这些特点为乳酸菌基因组测序提供了极大的便利。 特别是在高通量测序技术出现之后，已对数以千计的乳酸菌完成了基因组测序， 为乳酸菌群体基因组学研究奠定了基础。

3.讨论

就当下研究现状来看，乳酸杆菌作用的研究大多数为表象功能的观察，以及乳酸菌基因组测序集中在研究一株具有特定功能菌株的基因组结构、组成、生物学功能及代谢途径等。 而对于具体基因的功能深入研究较少。而现在随着基因测序技术的发展，越来越多的基因组数据被上传，我们可以应用生物信息学方法，从基因组层次研究乳酸杆菌与其他细菌的差异，通过与HMP数据库进行比对，查询注释信息，对同一属中不同菌种或同一菌种中不同株进行比较基因组学研究， 进而解析乳酸菌的基因功能，代谢网络调控以及群体遗传与物种分化过程。

参考文献

[1]Who F． Health and Nutritional Properties of Probiotics in Food including Powder Milk with Live Lactic Acid Bacteria［J］．2011，2014．

[2]曹林艳,谭力瑞,陈华海,胡云霏,尹业师.基于CNKI和PubMed数据库的双歧杆菌研究文献分析[J].中国微生态学杂志,2019,31(01):25-29.

[3]唐京,陈明,柯文灿,王丽娜,张娟,丁武蓉.乳酸菌在疾病防治和人体保健中的应用研究进展[J].微生物学杂志,2017,37(04):98-107.

[4]闫芬芬,李娜,李柏良,岳莹雪,史佳鹭,赵莉,霍贵成.益生菌对Ⅱ型糖尿病影响的研究进展[J/OL].食品科学:1-12[2019-03-06].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2206.ts.20190102.1545.159.html.

[5]李慧臻,李柏良,李子叶,占萌,陆婧婧,霍贵成.乳酸杆菌抗肿瘤作用的研究进展[J].食品工业科技,2019,40(02):336-341.

[6]Abbes S，Ben Salah－ Abbegrave;s J，Jebali R，et al.Interaction ofaflatoxin B1 and fumonisin B1 in mice causes immunotoxicity and oxidative stress: Possible protective role using lactic acid bacteria［J］.Journal of Immunotoxicology，2016，13( 1) : 46－54.

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[8]Huang Y，Wang J，Cheng Y，et al． The hypocholesterolaemic effects of Lactobacillus acidophilus American type culture col-lection 4356 in rats are mediated by the down-regulation of Nie-mann-Pick C1-like 1［J］． British Journal of Nutrition，2010，

104( 6) : 807-812．

[9]Zhang Q, Wu Y, Fei X. Effect of probiotics on glucose metabolism in patients with type 2 diabetes mellitus: A meta-analysis of randomized controlled trials[J]. Medicina, 2016, 52(1):28-34. DOI: 10.1016/j.medici.2015.11.008

[10]Samah S, Ramasamy K, Lim S M, et al. Probiotics for the management of type 2 diabetes mellitus: A systematic review and meta-analysis[J]. Diabetes Research and Clinical Practice, 2016, 118:172-182. DOI: 10.1016/j.diabres.2016.06.014

[11]Tonucci L B. Gut microbiota and probiotics: Focus on diabetes mellitus[J]. CRITICAL REVIEWS IN FOOD SCIENCE AND NUTRITION, 2017, 57(11):2296-2309. DOI: 10.1080/10408398.2014.934438

[12]Harisa G I, Taha E I, Khalil A F, et al. Oral Administration of Lactobacillus acidophilus restores nitric oxide level in diabetic rats[J]. Australian Journal of Basic amp; Applied Sciences, 2009, 3(3):2963-2969

[13]BOLOTIN A， WINCKER P， MAUGER S， et al. The complete genome sequence of the lactic acid bacterium Lac-tococcus lactis ssp. lactis IL1403[J]. Genome Research， 2001， 11（5）： 731-753.

[14]ZHANG W， YU D， SUN Z， et al. Complete genome sequence of Lactobacillus casei Zhang， a new probiotic strain isolated from traditional homemade koumiss in Inner Mongolia， China[J]. Journal of Bacteriology， 2010， 192（19）：5268-5269.

开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字）

研究的问题：就当下研究现状来看，乳酸杆菌作用的研究大多数为表象功能的观察，以及乳酸菌基因组测序集中在研究一株具有特定功能菌株的基因组结构、组成、生物学功能及代谢途径等。 而对于具体基因的功能深入研究较少。

采用的研究手段：本课题采用生物信息学方法，从基因组层次研究乳酸杆菌与其他细菌的差异，通过参考HMP数据库，查询注释信息，对同一属中不同菌种或同一菌种中不同株进行比较基因组学研究， 进而解析乳酸菌的基因功能，代谢网络调控以及群体遗传与物种分化过程。

1.研究背景

乳酸杆菌属乳酸杆菌科，因发酵糖产生大量乳酸而命名，酸奶中就有此菌。它作为一种生活在机体内益于宿主健康的微生物，维护人体健康和调节免疫功能的作用已被广泛认可。而乳酸杆菌在一定数量下，能够对宿主健康产生有益作用^[1]。

在中国知网期刊数据库网站以 “乳酸杆菌”作为主题词检索全部期刊文献，可以获得中文文献有6094篇。在 pubmed数据库在线分析网站以“lactobacillus”作为主题词检索则可以获得外文文献35703篇^[2]。中国知网中对于乳酸杆菌的研究最早可以追溯至1965年，早期的相关文献非常少，大多是关于研究乳酸杆菌的生物学特征，及相关的分离与培养方法。直到1995年，发文数量逐渐开始增加，也反映出研究者们对乳酸杆菌的关注度增加。但到近两年里，开始呈现下降的趋势，可能是肠道菌群的作用越来越不可忽视，研究者们更多地投入到菌群的研究当中。

对pubmed中的文献进行统计，发现早期乳杆菌的分离纯化研究最多，关于代谢和遗传学研究也较多，从1997年开始，乳酸杆菌的治疗用途的发现逐渐增加。

在对于乳酸杆菌进行研究的地区、国内外机构以及期刊排名前五位见表1。而在中文期刊里，中国微生态学杂质对于乳酸杆菌的文献报道最多，发文数量位列前3位的研究机构分别为中国江南大学、中国农业大学和东北农业大学，而发文数量较多的学者大多都来自于内蒙古农业大学。

图1