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Microbial metabolic exchange—the chemotype-to-phenotype link 微生物代谢交换:化学型与表型的联系 Nature Chemical Biology, 2011 Vanessa V Pheelan1 Pieter C Dorrestein2,3 1Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, university of California, San Diego, California, USA 2Department of Chemistry and Biochemistry, university of California, San Diego, California, USA 3Center for Marine Biotechnology and Biomedicine, Scripps Institution of oceanography, University of California, San Diego, California, USA  编译：张政  摘要 微生物之间的相互作用通过在微生物和环境之间建立稳态使微生物能够得以生存。它们可以利用代谢交换(包括小分子和蛋白质分子在内的分子转移)对环境刺激做出响应。而它们之间的相互作用不仅影响微生物自身的生存，而且在微生物和周围生物的形态学和发育过程中也起着重要作用。反过来，这些作用又为所有的生物塑造了完整的栖息地。在这里作者强调了目前对代谢交换的理解以及出现的新技术，这些能够帮我们窥探微生物之间的交流，这种微生物之间的对话由数十种至数百种控制群落成员的行为、生存和分化的代谢分泌物所组成。 前言 微生物之间的相互作用从人类口腔、肠道、皮肤到黄蜂的蛹再到沙粒，在这个星球上所有的生态位中无处不在。在平衡状态下，许多微生物在稳定的混合群落中共存。当这些群落受到干扰时，我们的生态系统也会受到很大的影响，从而导致对我们社会有严重影响的灾难性事件的发生。此外，真菌和细菌产生的代谢产物在现代医疗保健、农业和其他商业活动等领域发挥重要作用。例如，青霉素和万古霉素有助于调控微生物感染，雷帕霉素作为免疫抑制剂在器官移植以及紫杉醇在许多癌症治疗中都发挥重要作用。当我们讨论微生物产生的代谢物时，通常只会考虑这些对我们生活质量的影响，而往往会忽略这些代谢物对复杂的微生物相互作用的影响，而这些相互作用才是代谢物产生的最根本的原因。对微生物本身来说，微生物之间的相互作用为它们提供了从外部群落获得营养和保护的途径，并使其能够适应不断变化的生态位。 图1，微生物之间相互作用的物质基础 细菌为微生物间相互作用研究提供了大量的资源。细菌基因组中用于产生次级代谢产物的比例达到了5-15 %。但是令人惊讶的是，虽然细菌间相互作用对单个细菌和整个细菌群落的生存和适应具有重要意义，但是与细菌相互作用相关的开放阅读框架(ORFs)的总数尚未确定。据分析，17-42%预测的ORFs与微生物相互作用有关。NCBI数据库中存在的错误注释会限制我们明确每一个ORF的功能（图2）。例如，铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的某些ORFs被认参与孢子的形成，但是我们知道铜绿假单胞菌是无法形成孢子的，所以这些功能注释是没有根据的，因此在我们的分析中对这种情况进行了纠正。这一分析技术虽然还处在初级阶段，但是表明这些微生物的蛋白组学中有很大一部分具有参与建立它们之间的相互作用的能力。 图2，预测用于微生物相互作用的ORFs所占的比例 根据这个观点，微生物间的代谢交换成为研究它们之间代谢的一个重要方面。在这其中要突出强调所涉及的代谢物化学和功能的多样性，以及它们在微生物群落的细胞分化和维持生态平衡中起的重要作用。同时新工具的出现让我们能够从空间层面和系统途径方面来研究微生物的相互作用。 第一章 代谢交换因子 群体感应(Quorum-sensing)因子是目前研究最为深入的代谢交换因子。群感因子的结构是丰富多样的(图3)，根据所涉及分子的不同，微生物群落的群感效应具有很大差异，并且可能受到周围微生物和pH、温度、营养成分等非生物因素的影响。群体感应控制细胞分化等发育过程，并且反过来影响其他微生物行为。 图3，群感因子的化学多样性 群感效应通常在独立分子层面而不是在多因素代谢交换背景下进行研究。例如，在病原体金黄色葡萄球菌中，群体感应涉及编码群体感应自诱导肽的自诱导系统位点agr(附属基因调节子)。这种群体感应系统被认为可以至少调节23种分泌因子，包括δ-毒素，α-溶血素以及其他毒素和蛋白酶类，这些影响了临近微生物和宿主之间相互作用。 微生物能够产生大量的结构上多样的代谢交换因子，这对建立由一种或多种物种组成的群落至关重要(图4)。营养因素是塑造微生物群落最主要的驱动力。最近报道强调了互利共生的重要性，表明一个物种的可扩散代谢交换因子可以对另外一个物种起到促进作用。比如说分离得到的某些海洋细菌只有在其他生物体产生的“辅助”分子存在的情况下才会生长。对于多分子信号响应系统的研究是一个很有吸引力的方向，但是多重信号在研究中常常被忽略，而且参与群体感应的代谢物和参与其他信号传递作用的代谢物之间的界限并不清晰。 图4，代谢交换因子的化学多样性 总的来说，我们对包括抗生素在内的代谢交换因子在群落中的作用知之甚少。抗生素被认为是微生物之间竞争的媒介，同时也具有群体感应信号的作用，又或是具有帮助建立和稳定微生物群落的功能。对于抗生素是否能够在自然微生物环境中杀死竞争者的了解还不够完善。例如，高浓度的托布霉素、环丙沙星和四环素能够导致铜绿假单胞菌的死亡，但是这些抗生素在亚抑菌浓度时又促进了与生物膜形成有关基因的转录。 第二章 多细胞行为中的代谢交换 微生物群落中代谢因子对细胞行为的影响在群落水平(图5a)和细胞水平(图5b)随处可见。作者推测代谢交换的主要功能是在时间和空间上调控菌落中的细胞分化，并根据临近物种和环境条件的变化进行必要的调节。 图5，枯草芽孢杆菌在细胞和群落水平上的细胞分化 了解代谢交换在微生物群落分化和混合群落形成中的作用，将有助于提高治愈或者预防疾病的能力。这将促进人们对生物膜形成的认识，以及有助于寻找减少结核病等感染中潜伏细胞数量的方法。此外通过理解和控制微生物的多细胞行为，我们能够提高微生物在商业中的应用，比如说通过增加细胞数量从而大量生产抗生素。 第三章 代谢交换的生态效应 代谢交换不仅是未来生物领域经济发展的驱动力，也是生态系统的驱动力。在上世纪80年代(图 6a)，就已经对微生物代谢交换在海洋生态系统中发挥的作用进行了相关研究。到目前为止，对于多样性丰富的微生物共生体利用代谢交换维持海洋生物群落平衡具有了清晰的认识。 这种海洋环境中丰富的代谢交换和共生多样性同样反映在陆地生态系统中。最近就发现了与切叶蚁生命周期相关的微生物群落(图6b)。微生物代谢交换除了维持外部环境以外，同样在人体微生态中发挥重要作用。人体内的微生物能够保护人类免受感染，降解未利用的底物，培育免疫系统和生产维生素。微生物和它们的代谢交换因子在人类生活中无处不在，仅口腔中就有约500种不同细菌的存在。要想充分了解这些群落，就要明确识别起决定作用的分子，了解所代表的含义并对它们的结构层次有所认识。
图6，微生物代谢交换的生态学作用 第四章 研究微生物代谢交换的挑战 青霉素是真菌和金黄色葡萄球菌相互作用的结果，它的发现引起了人们对研究单一微生物代谢交换因子在医学上应用的热情。然而对多细胞群落中多因素影响的研究还很少。要想了解所有参与微生物代谢交换的微生物和代谢物具有很大的挑战。复杂的微生物群落，例如人类肠道、牙菌斑和植物根际微生物群落中包含成百上千种不同的微生物。根据现有基因序列，我们估计这些复杂群落中的每一种微生物都具有能够至少产生10种不同分子的能力，而这些又能影响临近微生物的行为。因此，群落中的代谢交换可能涉及了数千种不同的分子，这对研究它们如何影响微生物行为造成了极大的困难。由于缺乏研究代谢因子在微生物相互作用中发挥什么样作用的工具，从而使得我们认识和验证这些作用以及识别其他相关因素的能力受到了很大的限制。 第五章 研究代谢交换的新方法 揭示微生物之间相互作用所存在的挑战，在加上微生物代谢交换在生态学和医学领域发挥的重要作用，这些都极大的促进了各种先进科学技术在研究微生物与微生物之间和微生物与宿主之间相互作用中的应用。要想成功研究微生物代谢交换就需要分子生物学、遗传学、系统生物学和生物化学等传统微生物学手段与新兴技术相结合的方法(表1)。要想真正的了解微生物群落代谢交换的复杂性，就需要开发相应的工具来识别具体的微生物参与者，了解其整体的代谢状态，表征与这些状态和环境相关的代谢输出，并将不同的实验结果进行汇总研究。
表1，研究微生物相互作用和群落的方法 研究微生物代谢交换的第一步是明确微生物群落中的成员，这一步虽然可以通过生理生化实验、显微镜观察、16S和18S测序等传统方法实现，但是这些方法普遍存在低效、高成本以及适用范围窄的缺点，在这种情况下，荧光原位杂交技术(FISH)应运而生，它可以帮助我们快速识别微生物群落中的个体。 理解微生物相互作用的另一个途径就是识别和表征在特定的相互作用中所涉及的代谢交换因子。在对细胞产物分离纯化的过程中，基因组测序和蛋白质结构预测可以弥补高效液相色谱(HPLC)、质谱法(MS)、核磁共振(NMR)和X射线衍射等传统方法的不足，从而极大的促进对生物合成基因的鉴定和编码产物生化活性的预测。目前还有许多新兴技术可以用于识别参与代谢交换的基因簇，antiSMASH就是其中的代表，它作为一个综合性数据库能够鉴别、注释和分析微生物次级代谢物合成基因组簇。但是到目前为止，这一领域发展还不够成熟。同时前文中提到的IMS、NMR和微流体技术都在微生物代谢交换的研究中都已经有大范围的应用。
图7，MALDI-IMS将化学型和表型联系在一起，可用于代谢交换因子空间分布的可视化 尽管进行相关研究的工具和方法已经有所发展，但是仍然不能满足科研的需要。在以后的研究中，我们要将不同细胞、组织和环境中的代谢物信息与基因组特征构建联系，而要想完成这些将需要大量的技术革新。 目前对微生物代谢相互作用的研究被简化成对单个分子或者对单一作用的研究，但是未来可能需要研究自然条件下的多重相互作用，因此下一个前沿目标就是开发能够将复杂环境条件和群落中的基因型、化学型和表型联系起来的工具。为了实现这一目标，需要对现有的仪器进行创新，并且整合迄今为止微生物学领域不同的方法和知识。将化学物质与负责代谢物质合成和细胞反应的基因联系起来，并且明确在产生特定代谢产物的群落内单个细胞的发育状态，这对我们理解自然界微生物相互作用至关重要。 我们已经了解到代谢交换因子在微生物群落中起到指示性作用，它们是形态和发育过程以及单个微生物的生存和整个微生物群落的适应所必需的。通常对微生物之间联系的研究往往只集中于某一个信号或者是某几个分子。实际上微生物的相互作用需要众多不同的分子，每次只研究某一个分子是无法满足科研需要的。随着技术的进步，我们现在能够聆听由几种不同分子组成的微生物之间的对话，从而加深对微生物代谢交换的研究。在未来的研究中，我们必须要了解具体形成了哪些分子以及它们之间是如何协同作用的，并且要继续开发研究代谢交换的工具。  小结 微生物间的相互作用不仅与微生物自身和微生物的宿主以及周围环境之间具有密不可分的联系，而且对生态系统和人类活动同样具有不可忽视的重要作用。对微生物代谢交换的研究不仅要明确单分子发挥的作用，未来同样需要对与代谢相关的大量分子的共同作用进行深入研究。对于代谢因子的研究需要我们在完善原有科技的基础上发展新的技术，同时要对相应的仪器设备和数据库进行大量的更新，只有这样才能在未来对多分子和复杂环境下的代谢交换开展更加深入的研究。
参考文献： VanessaV phelan, Wei-Ting Liu, et al. Microbial metabolic exchange—thechemotype-to-phenotype link. Nature chemical biology, 2012. |
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