撰文 | Gladiator
責編 | Qi
過去15年，全球抗生素人均消耗量增加了39%。目前，每年有70萬人死於微生物耐藥性（AMR），如果不予以控制和重視，到2050年，AMR每年會導致1000萬人死亡，可累計造成100萬億美元的經濟損失。因此，必須制定相應的策略來維持或改善宿主的抗菌素防禦。廣義定義的“健康”腸道微生物組已被證明對病原體具有一定的抵抗力，即宿主微生物組可作為抗感染的固有屏障【1, 2】。近年來，科學家提出了定植抵抗概念，即已在特定部位定植的正常菌群一般都具有抑制其他細菌再定植的能力（微生物群保護宿主免受感染）。然而，目前關於定植抵抗包括透過許多直接或間接/宿主介導的抑制機制仍然有待充分探索。
長期的進化產生了成熟的免疫系統，包括免疫反應包括固有免疫和適應性免疫，機體透過啟動固有性免疫反應以及適應性免疫以應對病原體入侵。適應性免疫系統和先天免疫系統的成熟不僅依賴於感染，也與許多其他暴露，如飲食和微生物群等因素相關【3, 4】。微生物群與免疫系統一樣是高度動態的，調節微生物群發展和維持的因素包括與免疫系統等因素的互動作用【5】。越來越多研究表明病原體在重塑微生物群中發揮重要作用，有研究提出一種假說，即“經常接觸病原體可能有利於微生物群發揮最佳的抗菌功能”。但是，目前關於宿主對之前感染的記憶是否會影響微生物群還不清楚。
2021年1月15日，美國國立衛生研究院國家過敏症和傳染病研究所宿主免疫和微生物組實驗室Yasmine Belkaid研究團隊在Cell雜誌上發表了一篇題為 Infection trains the host for microbiota-enhanced resistance to pathogens 的文章。該研究發現之前腸道感染會增加腸道菌群對隨後感染的抵抗力，感染誘導宿主產生牛磺酸和牛磺酸利用菌群的增殖，腸道微生物群將牛磺酸轉化為硫化物，進而抑制病原體的呼吸能力。揭示宿主在感染觸發後，可以將牛磺酸作為一種營養物質來滋養和訓練微生物群，促進其對後續對感染的抵抗力。
為了研究感染與腸道菌群定植抵抗的關係，研究人員選擇醫院相關病原體肺炎克雷伯菌（耐碳青黴烯臨床分離株的衍生物，Kpn）為模式病原體（該病原體的特徵使其非常適合用於研究微生物相關的定植抵抗）建立了多種小鼠模型：接受野生小鼠的微生物群的無特殊病原體SPF級小鼠wildR；感染減毒株假結核耶爾森菌post-△yopM model。研究結果顯示，經口腔感染後，野生型小鼠對Kpn的抗性高於對照組小鼠，表明野生小鼠的抗性增強主要是由微生物群介導的。此外，先前感染△yopM對Kpn的抵抗增強。為進一步區分微生物群還宿主反應的作用，研究人員對腸轉送時間和腸固有層的先天和適應性免疫反應變化進行了分析研究，並將研究重點關注在微生物群落的變化上。透過16S rRNA測序對wildR和post-△yopM腸道群落組成變化測序研究顯示wildR的微生物群落α多樣性指數較高，而兩者的β指數均與對照組naive SPF分開，並一直持續到F10。儘管有研究報導，感染或者炎症狀態下一些變形菌門細菌會出現擴張。本研究群落組成顯示，與對照組小鼠相比，post-△yopM和野生小鼠體內的僅一個變形菌門細菌數量增加了約100倍。在本研究中，與對照菌群相比，post-△yopM和野生小鼠 (F2和F10) 中變形菌綱均顯著增加的只有Betaproteobacteria和Deltaproteobacteria。在將post-△yopM微生物群轉移到GF小鼠後，唯一保持富集的變形菌屬是Deltaproteobacteria。與Kpn抗性增強相關的微生物群富含Deltaproteobacteria，表明這些細菌可能會促進定植抵抗。
為進一步探究變形菌的群落功能，研究人員首先透過宏基因組測序揭示了兩個重要的代謝途徑：硫代謝和甲萘醌的生物合成，而且硫代謝途徑的主要來源是post-△yopM宏基因組中的deltaproteobacterium (Desulfovibriogenus)和wildr宏基因組中的Deltaproteobacteria的混合。接下來，研究人員利用氣相色譜飛行時間質譜分析了186種定義的代謝物的丰度，與對照組相比，在post-△yopM盲腸內容物中總共鑑定出13種代謝物豐富更高，而其中5種為黃嘌呤氧化酶（一種已知由腸病原體誘導的宿主抗菌素效應物）。這些結果進一步支援了牛磺酸是post-△yopM小鼠代謝產物中升高最顯著的代謝物。研究繼而透過免疫組化和RNA-Seq分析DEGs等手段表明短暫的感染可導致肝臟(負責合成膽汁酸的器官)的長期免疫增強，以及膽囊 (負責儲存膽汁酸的器官) 的改變。為評估是否利用牛磺酸的Deltaproteobacteria有助於定植抵抗，研究人員將單培養的Bilophila wadsworthiaATCC 49260克隆到GF小鼠（先於SPF小鼠菌群使用），結果顯示B. wadsworthia增加近8倍且對Kpn產生足夠抵抗。
為闡明定植抵抗產生的機制，研究人員首先明確了牛磺酸升高主要來源為微生物本身而非外部新增，在此基礎上透過流式細胞術和RNA-seq評估了大腸固有層和上皮細胞中的免疫細胞組成以及基因表達差異，表明牛磺酸主要刺激上皮細胞的生長和翻譯，而不是抗菌防禦。隨後的菌群移植試驗說明，牛磺酸促進抵抗可能需要微生物群，也就是牛磺酸訓練菌群促進了其對kpn抵抗更強，同時對其它病原體抵抗同樣有效。透過宏基因組分析和間接體外試驗表明牛磺酸培養的微生物群定植抵抗增強，而且會產生更多的硫化物。細胞色素氧化酶是有氧電子傳遞鏈的末端酶，高濃度硫化氫可以抑制細胞色素氧化酶的活性。透過建立多種模型並結合突變實驗以及轉座子測序表明牛磺酸驅動的硫化物的產生增強了定植抵抗，特別是透過抑制病原體的有氧呼吸能力和嚴格限制呼吸底物而實現的。
本研究利用多項分析技術並結合動物學實驗表明來自先前被感染宿主的腸道微生物群對感染表現出了抵抗增強。發現這種長期的功能重塑與膽汁酸代謝的改變有關，導致利用磺酸牛磺酸的類群擴張。值得注意的是，單獨供應外源牛磺酸就足以引起微生物群功能的改變並增強抗性。從機理上講，牛磺酸促進微生物群產生硫化物，這種硫化物是細胞呼吸的抑制劑，是許多病原體入侵宿主的關鍵。因此，藥物隔離硫化物擾亂了微生物群的組成，促進了病原體的入侵。總之，這項工作揭示宿主在感染觸發後，可以將牛磺酸作為一種營養物質來滋養和訓練微生物群，促進其對後續感染的抵抗力。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.011
製版人：十一
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