Nature重磅：肠球菌增强艰难梭状芽胞杆菌的发病机制

背景

肠道感染本质上是多微生物感染，因为病原体在侵入胃肠道期间会暴露于丰富的微生物生态系统和复杂的代谢环境中。感染期间病原体微生物群相互作用的研究对于我们理解和治疗肠道感染的能力至关重要。全球最重要的肠道病原体之一是艰难梭菌，但关于艰难梭菌如何与胃肠道中丰富的微生物群协同作用知之甚少。

简介

2022年11月16日，来自美国费城儿童医院的Alexander B. Smith及其团队在Nature (IF: 42.778)杂志上发表名为Enterococci enhance Clostridioides difficile pathogenesis的研究[1]。

主要结果

肠球菌和艰难梭状芽胞杆菌的相互作用

为了确定肠球菌在CDI易感性中的因果关系，我们在抗生素介导的内源性肠球菌耗竭后，用艰难梭菌感染小鼠。给予头孢哌酮的小鼠在感染后一天表现出稳健的艰难梭菌定植 (图1a)，而头孢哌酮不靶向肠球菌。然而，使用头孢哌酮和万古霉素的肠球菌耗竭导致艰难梭菌定植延迟 (图1a)。为了检测这是否是肠球菌的直接作用，我们在CDI前引入了粪肠球菌 (菌株OG1RF)。在感染后的第一天，将粪肠球菌引入肠球菌缺失的肠道后，艰难梭菌的早期定植得以恢复 (图1a)。这表明，肠球菌可能在抗生素治疗后改变胃肠道环境，并在早期定植事件中支持艰难梭菌。为了测试艰难梭菌对肠道中肠球菌适应性的相互作用，我们用毒素产生缺陷的艰难梭菌 (tcdA- tcdB-)感染小鼠。在抗生素处理过的肠道中，肠球菌独立于毒素生长；然而，在艰难梭菌毒素的存在下，负荷显著增加。这些数据与既往的研究一致，这些研究证明了肠球菌在抗生素扰动后繁殖的能力，并进一步证明艰难梭菌毒素介导的损伤提供了额外的适应性优势。

图1. 肠球菌促进艰难梭状芽胞杆菌的适应性和发病机制

肠球菌重塑代谢组

为了探索肠球菌和艰难梭菌相互作用的分子机制，我们对共培养物进行了RNA测序。在粪肠球菌存在的情况下，艰难梭菌与碳水化合物吸收、氨基酸利用和Stickland发酵相关的转录物发生了显著改变 (图2a)，表明存在大量的代谢重编程。粪肠球菌中与金属摄取、精氨酸摄取和代谢以及碳水化合物摄取和代谢相关的转录物发生了改变。为了将这些转录数据置于上下文中，我们利用了艰难梭菌的代谢网络重建。整合转录组数据后，我们为艰难梭菌和模拟细菌生长生成了不同的特定环境模型。在接近最优的环境特定条件下迭代模拟生长，以生成所有代谢反应的可能活性范围的分布。生物量目标函数的通量采样显示，在共培养条件下艰难梭菌的预测生长产量显著增加，表明肠球菌有助于艰难梭菌生长 (图2b)。

图2. 艰难梭菌CD196的特定基因组规模代谢网络重建分析显示，当与肠球菌共培养时，代谢发生了显著变化

ADI途径在串扰中的作用

粪肠球菌通过精氨酸脱亚胺酶 (ADI)途径分解代谢精氨酸获得能量。在精氨酸摄取过程中，鸟氨酸通过精氨酸鸟氨酸反转运蛋白ArcD输出 (图3b)。鸟氨酸在粪肠球菌的多微生物相互作用中很重要，我们的数据表明该氨基酸是粪肠球菌相互作用的中枢 (图2e和3)。因此，我们用粪肠球菌ArcD转座子突变株 (arcD::Tn)培养艰难梭菌，该突变株在精氨酸的导入和鸟氨酸的导出方面存在缺陷 (图3b)，并且不能与艰难梭菌鸟氨酸交叉喂养 (图3d)。艰难梭菌在来自粪肠球菌arcD::Tn的上清液中生长时显示出显著的生长缺陷，支持鸟氨酸在适应性中的作用。值得注意的是，当与粪肠球菌arcD:: Tn无细胞上清液一起培养时，艰难梭菌中肠球菌介导的毒力增强也被消除 (图4a)。这表明肠球菌ADI系统在艰难梭菌毒力控制中具有直接作用。

图4. 粪肠球菌的ADI途径增强艰难梭菌的毒性

结论及展望

肠道病原体暴露于胃肠道中的动态多微生物环境。该微生物群落已被证明在感染过程中很重要，但很少有实例说明微生物间的相互作用如何影响入侵病原体的毒力。本研究表明，肠球菌这一组耐抗生素的机会性致病菌在肠道中的扩展增强了艰难梭菌的适应性和发病机制。通过营养物限制和交叉喂养的并行过程，肠球菌塑造了肠道中的代谢环境，并对艰难梭菌的代谢进行了重新编程。肠球菌提供可发酵的氨基酸，包括亮氨酸和鸟氨酸，可增加艰难梭菌在抗生素干扰的肠道中的适应性。肠球菌通过精氨酸分解代谢消耗精氨酸，为艰难梭菌提供了促进毒力增加的代谢线索。我们在多个小鼠感染模型和艰难梭菌感染患者中发现了这两种致病微生物之间存在微生物相互作用的证据。这些发现为致病微生物群在艰难梭菌感染的易感性和严重程度中的作用提供了机制见解。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05438-x

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！