【原】科研 | Gut Microbes：微生物对健康和炎症肠道环境的适应

微生态 2021-04-13

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编译：Sunshine，编辑：木木夕、江舜尧。

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导读

哺乳动物肠道中有100万亿种不同的细菌。共生细菌物种/菌株相互合作和竞争，以建立一个平衡的群落，这对维持宿主健康至关重要。病原菌劫持合作机制或使用策略来逃避竞争机制以建立感染。此外，致病菌会在肠道内引起显著的环境变化，如诱导炎症，从而促进病原体的选择性生长。在这篇综述中，总结了关于共生细菌物种/菌株通过合作或竞争行为定植肠道的机制的最新研究结果；还回顾了致病菌适应发炎肠道并以共生细菌为代价而繁殖的机制。了解细菌对健康和炎症肠道的适应性可能提供新的细菌靶向治疗方法，选择性地促进有益共生菌的扩张或限制病原菌的生长。

论文ID

原名：Microbial adaptation to thehealthy and inflamed gut environments

译名：微生物对健康和炎症肠道环境的适应

期刊：Gut Microbes

IF：7.74

发表时间：2020.12

通讯作者：Nobuhiko Kamada

通讯作者单位：美国密歇根大学

试验设计

结果

1 介绍

肠道菌群是存在于胃肠道（GI）的大量共生微生物群落。这些微生物包括细菌、真菌和病毒，每种微生物都由众多不同的微生物成员组成，具有高度多样性。例如，肠道菌群内的细菌种类超过1000多种。每种种类的肠道共生细菌都执行独特的生物学功能，因此，它们的平衡对于维持GI稳态至关重要。这种平衡的扰动，所谓的肠道微生态失调，触发或加剧了各种GI疾病，如炎症性肠病（IBD）。每种细菌种类或菌株都利用各种各样的机制来适应肠道微环境，并稳定其定植。重要的是，每种细菌的定植都受到其他细菌存在的影响，通过合作和竞争行为。本篇综述将讨论肠道细菌在稳态和疾病状态下适应肠道微环境的机制。

2 稳态肠道中的细菌适应

共生细菌进化出了各种适应肠道环境的策略，主要是通过获得可利用的营养物质。在这一节中，将总结共生细菌感知和适应肠道环境的机制。此外，还将讨论细菌菌株之间的代谢合作和竞争。致病菌以牺牲竞争性共生细菌为代价建立感染的策略的一些例子将在图1中描述。

图1稳态肠道共生菌和致病菌适应的机制。（a）共生细菌种类或菌株与其他细菌协同或竞争建立各细菌菌株的定植。（b）功能重编程：当暴露于肠道微环境时，致病菌重编程其功能以建立稳定的定植。

2.1 共生菌对环境的感知

营养和地理适应是共生细菌用来在肠道中定植和生长的两个最关键的机制。在肠腔中，植物来源的不消化复合多糖通过宿主消耗的食物提供，是寄居细菌的主要营养来源。另一方面，在靠近粘膜的地方，宿主来源的多糖，如粘液聚糖，提供了另一种营养来源。消化植物或宿主来源多糖的能力是促成共生细菌对肠道环境空间适应的关键因素。周围环境（营养或空间）的感知触发了适当基因的表达，有利于共生细菌适应特定的肠道环境。利用RNA测序，Donaldson等人区分了粘膜壁龛中共生脆弱拟杆菌的转录组学特征与肠腔中共生脆弱拟杆菌的转录组学特征。

2.2 共生细菌之间的代谢串扰

2.2.1 合作（交叉饲养）

肠道中共生细菌的不同物种或菌株具有不同的营养偏好，用于适应肠道环境。因此，特定的营养习惯是肠道菌群内每个物种或菌株之间平衡的重要决定因素。一些共生细菌与其他细菌发生互惠关系，协同建立各细菌菌株的定植。这种现象被称为交叉饲养。Tuncil等人发现人类肠道拟杆菌属，如B.ovatus和B.thetaiotaomicron具有降解一些膳食聚糖的同源多糖利用位点。然而，它们并不同时使用所有这些聚糖。每个物种对一些聚糖表现出可变的、有时相反的等级顺序，从而在竞争环境中维持它们的稳定共存。Kim等人表明梭状芽孢杆菌细菌不能在无菌（GF）小鼠体内定植，而如果GF小鼠预先定植一些共生细菌，如嗜酸性芽孢杆菌，梭状芽孢杆菌就能成功建立定植。预先定植的酸化芽孢杆菌产生琥珀酸盐，可增强梭状芽孢杆菌的生长。B.acidifaciens和Clostridiales之间的这种代谢串扰对于从新生儿到成人的肠道菌群成熟至关重要。同样，肠道菌群的定植改变了宿主黏液或上皮蛋白的N-糖基化，进而促进了Phascolarctobacterium的扩增。

2.2.2 竞争

除了合作行为，肠道中的细菌物种和菌株也可以相互竞争，以牺牲其他细菌为代价维持丰度。营养（代谢）竞争是肠道细菌群落的主要调控力量之一。例如，拟杆菌属的许多成员具有相同的消化多种饮食和宿主来源聚糖的机制，由此它们相互竞争肠腔中的营养物质。除碳水化合物外，其他营养素，如维生素，对共生健身也至关重要。与大肠杆菌不同，B.thetaiotaomicron中充满了编码三种功能性维生素B12获取系统蛋白的保守基因。特别是，BtuG，一种表面暴露的脂蛋白，对B.thetaiotaomicron中有效的维生素B12转运至关重要。

2.3 建立致病菌感染

致病菌利用类似的适应机制在肠道中建立感染。粘附-侵袭性大肠杆菌（AIEC）在感知肠道环境时，如胆盐和粘液的存在，表现出与鞭毛形成相关的基因的表达。鞭毛蛋白相关基因的表达又促进AIEC渗入黏液层并向上皮表面转运。由于鞭毛蛋白是AIEC发病的关键因素，这是一种基本的适应机制，使AIEC能够建立致病定植。肠出血性大肠杆菌（EHEC）在从人类微生物群相关大鼠分离的盲肠内容物中培养时，对其基因转录进行重编程。EHEC将其代谢从糖酵解转变为间变型。EHEC可能占据空间或营养生态位。在肠道中达到足够的稳健性后，它们可能开启毒力以建立感染。而且，梭状芽胞杆菌利用肠腔中可用的氨基酸，特别是脯氨酸生长，随后建立感染。在共生细菌存在的情况下，尤其是代谢相关的梭状芽胞杆菌竞争脯氨酸，从而限制其生长。与碳和能量获得相关的基因在肠道菌群中大大减少，进而使梭状芽胞杆菌占据营养生态位，维持感染。除了病原体和共生菌之间的营养竞争，病原体往往利用共生菌提供的营养来源来帮助它们适应肠道环境（即营养合作）。

3 细菌在炎症肠道中的适应性

病原体富含与鞭毛、分泌系统、粘附素和参与生物膜形成的蛋白质相关的基因。病原体引起的肠道炎症显著改变肠道微环境，进而影响肠道细菌在胃肠道内的适合性，从而塑造常驻微生物群落的结构。例如，炎症会导致某些营养物质的增加，而这些营养物质会选择性地促进病原菌的生长。此外，发炎的宿主细胞释放的代谢副产物支持某些（最有可能是致病的）细菌的增殖。此外，炎症引起代谢重编程（例如，转录调节、水平基因转移），因此，病原体获得使其能够适应炎症环境的功能。发炎肠道中的微生物适应机制如图2。

3.1 利用炎症龛用于病原体的生长

3.1.1 病原体在发炎的肠道中存活并增殖

肠道致病菌容易在发炎的肠道中存活和增殖。如图2a所示，在沙门氏菌诱导的胃肠炎过程中，粘膜炎症产生了一个小生境，有利于病原体种群的扩展。发炎肠道中的宿主炎症反应产生活性氮的副产物，可反应形成硝酸盐，在厌氧环境中，硝酸盐被用作肠道沙门氏菌的呼吸电子受体。铁是一种必需的微量元素，在病原体和致病细菌的增殖和毒力，以及共生细菌的生长中起着至关重要的作用。炎症引起组织破坏，从而导致铁的释放。革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌均通过合成和分泌不同的铁载体获得铁。铁载体与铁的亲和力强于宿主铁结合蛋白，因此，细菌病原体可以获得铁，并在发炎的肠道中获得生长优势。

3.1.2 病原体改变发炎肠道中的细胞新陈代谢

炎症过程中肠上皮细胞（IECs）的细胞代谢发生改变，进而影响肠道中某些致病菌的生长（图2b）。例如，沙门氏菌诱导的结肠炎导致产生丁酸盐的梭状芽孢杆菌耗竭。由于缺乏丁酸盐，导致组织中的氧气泄漏到管腔中。上皮细胞中氧水平的增加支持沙门氏菌在有氧条件下通过高亲和力末端氧化酶的生长。同时，C.rodentium可以在发炎的肠道中利用有氧呼吸获得比共生细菌更多的生长优势。Gills等人还报道了炎症改变IEC的代谢。在炎症中，IEC显示乳酸发酵增加，从而导致管腔乳酸升高。沙门氏菌利用乳酸作为电子供体，结合氧作为末端电子受体，支持其在肠道中的定植和过度生长。在C.rodentium感染过程中，IECs向胆固醇和碳代谢转变，触发有氧糖酵解，激活胆固醇生物合成和外流，同时抑制中心碳代谢，特别是线粒体心磷脂的产生。这与粘膜氧水平升高和结肠相关厌氧共生菌减少一致。

3.1.3 炎症肠道中的病原体合作与竞争

细菌与其他细菌的合作或竞争是定义发炎肠道中细菌适合度的关键要素（图2c）。DSS诱导的肠道炎症通常伴随着肠道菌群的改变（即微生态失调）。宏基因组测序揭示，细菌甲酸氧化和氧气呼吸是共生微生物组中过度代表的代谢途径。大肠杆菌通过氧气呼吸利用微生物来源的甲酸盐来增强其在发炎肠道中的适合性。

3.2 炎症肠道中病原体的微生物功能重新编程

炎症驱动的功能重编程对于让病原体在发炎的肠道中获得优势至关重要。如图2d所示，沙门氏菌诱导的结肠炎增加了总胆汁酸的浓度。为了抵抗结肠炎期间胆汁浓度升高，S.entericaser通过调节FepE修饰其外膜。S.entericaser比对胆盐敏感的共生细菌能更好地适应发炎的肠道。此外，S.entericaser表达耐受宿主抗菌反应所需的基因。沙门氏菌诱导的结肠炎释放钙卫蛋白，钙卫蛋白是肠腔内死亡中性粒细胞分泌的一种抗菌蛋白，可通过隔离必需的微量营养素金属（如锌）抑制细菌生长。铁对几种变形菌门（如大肠杆菌）的病原体适合性至关重要。铁代谢对于细菌在肠道中的有效定植和呈递以及增殖至关重要。在肠道炎症过程中，AIEC过表达编码铁获取的基因，从而促进肠道炎症。此外，研究还表明，肠肌动蛋白会抑制发炎肠道中中性粒细胞释放的过氧化物酶的活性，从而使大肠杆菌比其他共生菌具有生长优势。除了转录调控外，一些细菌还通过水平基因转移（HGT）获得新的功能，以更好地适应周围环境。肠道炎症可促进致病菌和共生菌之间的HGT。

因此，细菌间HGT（即质粒、噬菌体）是一些病原体在发炎的肠道中部署的关键功能重编程机制。

3.3 炎症后共生菌复原力

尽管适应炎症环境是致病菌以牺牲共生细菌为代价在肠道内茁壮成长的中心策略，但共生细菌也隐藏了类似的机制。共生细菌通常使用避免炎症诱导的生长抑制来增强其在炎症后的复原力。利用RNA-seq分析，Zhu等人确定了在沙门氏菌诱导的肠道炎症过程中，xusABC基因在B.thetaiotaomicron中上调。B.thetaiotaomicron捕获肠杆菌产生的异铁载体需要xusABC系统。事实上，缺乏xusABC位点的突变B.thetaiotaomicron在体外外源性铁离子介导的铁摄取方面存在缺陷。同样，共生细菌能够自我修饰，以协助肠道炎症过程中的定植。例如，共生拟杆菌门可以改变其脂多糖结构，导致对抗菌肽的抵抗力和肠道炎症过程中的复原力增加。

图2 致病菌在发炎的肠道中的适应。（a）营养适应：肠道炎症诱导活性氧和一氧化氮，分别导致四硫酸盐和硝酸盐的生成。这些电子受体诱导S.entericaser的氧化TCA循环（Ox-TCA循环）。（b）代谢重编程（宿主上皮细胞）：肠道炎症改变了肠上皮细胞（IECs）的代谢。在发炎的肠道中，产生丁酸盐的梭状芽孢杆菌的减少和随后管腔丁酸水平的降低导致上皮氧合和乳酸发酵。由此引起的IEC产生的氧和乳酸升高，促进肠杆菌科病原体的需氧生长。（c）合作或竞争：肠道炎症促进肠道微生态失调。共生菌群改变其代谢功能，从而生成甲酸盐。同样，炎症改变了普通芽孢杆菌的唾液酸酶活性，增加了粘蛋白聚糖释放唾液酸。甲酸盐和唾液酸上调又支持大肠杆菌在发炎肠道中的生长。

4 靶向细菌适应策略治疗疾病

致病菌利用独特的代谢适应机制获得比共生细菌的生长优势或避免宿主抗菌免疫。可以针对这些病原体特异性策略来开发潜在的治疗方法，选择性地抑制致病菌的生长，而不影响有益的共生细菌。最直接的方法是向致病细菌提供代谢竞争者。各种益生菌细菌菌株，如产乳酸细菌，已被用于治疗细菌驱动的疾病，如IBD。同样，健康粪便微生物的移植显示出治疗IBD的前景。这些细菌疗法提供了代谢相关的细菌，可以直接与致病细菌竞争营养或定植生态位。此外，健康微生物群中所含的益生菌和有益菌可以引出宿主保护性免疫或抗炎免疫，进而有助于对抗病原体，促进病原体引起的炎性损伤的恢复。靶向阻碍致病细菌使用的代谢途径的特异性抑制剂是治疗疾病的合理方法。

钨酸盐已被确定为钼辅因子依赖性微生物呼吸途径的特异性抑制剂。这条通路，被致病性肠杆菌科细菌使用，只有在炎症期，才能被抑制，以减弱致病性肠杆菌科细菌引起的结肠炎和结肠癌。同样，靶向病原体特异性营养素是一种选择性治疗，可防止致病菌定植和随后的疾病发展。如上所述，DSS诱导炎症过程中唾液酸的增加促进了大肠杆菌的生长。口服唾液酸酶抑制剂可有效抑制大肠杆菌的扩增，随后改善DSS诱导的小鼠结肠炎。同样，L-丝氨酸分解代谢促进致病性肠杆菌科细菌的生长。由于肠腔中可利用的、致病病原体使用的L-丝氨酸大部分由饮食供给，因此剥夺饮食中L-丝氨酸的蛋白质可以抑制致病性肠杆菌科细菌的扩增，从而改善它们引起的疾病。因此，抑制病原体特异性代谢途径可以选择性地“饥饿”致病细菌。除了靶向病原体特异性代谢途径，抑制病原体定位可能是另一种选择。如前所述，致病菌位于宿主粘膜附近，以逃避与肠腔共生菌的营养竞争，并获得粘膜微环境中可用的独特营养来源。

新一代测序和质谱技术的最新进展突出了肠道细菌生态系统发展中的代谢景观。细菌代谢途径，是调节细菌群落的关键机制，可以靶向用于肠道微生物群落的编辑。然而，值得注意的是，细菌可以根据周围的微环境，如炎症，改变其代谢和营养偏好。因此，在编辑微生物群之前，需要考虑细菌环境依赖的代谢灵活性。例如，通过调节饮食来剥夺关键营养物质，可以有效地减少稳态肠道中致病菌的机会性生长和感染。然而，一旦炎症发展，相同的策略是无效的，因为致病菌重编程了它们的代谢需求。因此，相同的治疗方法，即饮食干预，可能对不同的患者，甚至对处于不同疾病阶段（如炎症分级）的相同个体并不同样有效。一方面，代谢灵活性有益于致病菌，能够避免代谢限制。另一方面，代谢灵活性保证了饮食干预的安全性。某些代谢途径仅在某些疾病条件（如炎症）下的致病菌中起作用；控制和调节这些途径对健康肠道中的细菌生态系统没有影响。例如，L-丝氨酸缺乏的饮食并不影响致病性大肠杆菌和C.rodentium在健康肠道中的适合性，而它有效地限制了它们在发炎肠道中的生长。因此，这种饮食治疗只在炎症过程中影响肠道微生物群落。

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