在炎症相关肠道菌群失调的情况下，结肠细胞衍生的乳酸盐可促进大肠杆菌的适应性

背景

与宿主相关的微生物群落发挥许多有益的功能，如增强免疫系统和促进新陈代谢。微妙和多方面的相互作用为失衡和紊乱提供了许多机会，共生微生物参与了许多疾病过程。复杂系统的实验扰动，如肠道微生物群与其宿主的相互作用，为深入了解潜在的分子机制提供了独特的机会。在胃肠道感染发作期间，肠道微生物群的组成在门水平发生变化 (菌群失调)。γ-谷氨酰菌，特别是肠杆菌科成员的丰度增加，而专性厌氧菌的相对丰度下降。Tis微生物群失调可使结肠炎恶化，例如通过减少免疫调节胆汁酸的产生。菌群失调还会增加结肠炎相关结直肠癌的发生风险。相反，防止肠杆菌科家族成员开花可减轻粘膜侵袭，降低侵袭相关结直肠癌的风险。更好地了解功能性宿主-微生物相互作用的动力学，可能对开发合理设计、以微生物群为靶点的干预策略大有希望。

简介

2022年11月26日，来自美国德克萨斯大学西南医学院的Savannah J. Taylor及其团队在Microbiome (IF: 16.837)杂志上发表名为Colonocyte-derived lactate promotes E. coli fitness in the context of inflammation-associated gut microbiota dysbiosis的研究[1]。

主要结果

尽管自然界中存在多种多样的代谢反应，但几乎每个细胞中都存在一些关键途径，例如乳酸的产生或消耗 (图1A)。乳酸盐以两种对映异构体形式存在，即D-和L-乳酸盐。已知生物在没有呼吸的情况下，通过将丙酮酸转化为乳酸来维持氧化还原平衡，这一反应是由位于细胞质中的立体特异性、NAD依赖的乳酸脱氢酶 (DH)催化的。在无外源电子受体的厌氧条件下，细菌和古细菌可发酵生产D-和l -乳酸DH。当氧化磷酸化不能有效满足细胞的能量需求时，哺乳动物细胞主要产生l -乳酸。例如，当氧合不足时，骨骼肌细胞将丙酮酸盐转化为l -乳酸盐。即使在有氧的情况下，肿瘤细胞也通常进行糖酵解与l -乳酸发酵 (瓦伯格效应)。产生D-或l -乳酸的其他代谢途径涉及苹果酸、乳酸醛和甲基乙二醛的降解 (甲基乙二醛途径) (图1A)。微生物乳酸降解包括通过膜相关的呼吸性乳酸DHs转化为丙酮酸盐，通过乳酸2-单加氧酶转化为乙酸盐和CO2，通过乳酸氧化酶转化为丙酮酸盐和过氧化氢，或者通过乳酸醛缩酶转化为乙醛和甲酸盐 (图1A)。与发酵乳酸DHs相比，细菌呼吸型乳酸DHs将乳酸氧化产生的电子捐赠给结合在膜上的醌池，将乳酸降解偶联到电子传递链 (图1B)。尽管乳酸在微生物和宿主生理中具有重要作用，但我们对炎症背景下肠道微生物群的乳酸代谢知之甚少。

图1. 小鼠结肠炎模型中乳酸利用基因的微生物群编码能力

呼吸道L-乳酸脱氢酶增强大肠杆菌在非感染性结肠炎小鼠模型中的适应性

接下来，我们试图通过实验研究呼吸乳酸DHs YkgEFG/ LldEFG/LutABC、LldD和Dld对细菌乳酸的利用。大肠杆菌是肠道菌群的共同成员，表达Dld、LldD和LldP，分别用于D-乳酸和l -乳酸的降解和转运。此外，公开的基因组序列预测，许多大肠杆菌菌株都编码枯草芽孢杆菌的LutABC系统和来自单叉希瓦氏菌的LldEFG系统的假定同源物 (YkgEFG)。因此，我们选择大肠杆菌来评估小鼠肠道中的细菌乳酸利用，并在小鼠共生菌株MP1中产生了清洁的、未标记的lldD、dld和ykgEFG缺失。然后，我们确定了在实验室条件下，在存在氧和硝酸盐作为末端电子受体的情况下，D-或L-乳酸的利用是否增强了适应性 (图2)。与之前的报道一致，在存在l -乳酸的有氧条件下，大肠杆菌野生型菌株胜过lldD突变株，而不是D-乳酸 (图2A, D)。在只有D-乳酸存在的有氧条件下，野生型菌株表现出比等基因dld突变体增加的适应性 (图2B, E)。缺乏预测的YkgEFG乳酸DH的Te突变体在D-和L-乳酸存在下厌氧培养时，与野生型菌株的恢复数量相似 (图2C, F)。当添加硝酸盐时，YkgEFG突变体在L-乳酸存在下表现出适应性缺陷，而不是D-乳酸。这一结果表明，大肠杆菌YkgEFG乳酸DH确实是一种呼吸型L-乳酸DH，类似于芽孢杆菌中的LutABC和希瓦氏菌中的LldEFG (图2C, F)。总之，这些实验表明，大肠杆菌以立体定向的方式利用D-和L-乳酸来支持生长，并表明大肠杆菌是探索呼吸型乳酸DHs、LldD、Dld和YkgEFG的生理功能的合适模式生物。

图2. 大肠杆菌对乳酸的体外利用

沙门氏菌在感染期间消耗上皮细胞衍生的乳酸

为了评估宿主和微生物乳酸代谢的变化是非感染性结肠炎独有的还是炎症的一般特征，我们转向了沙门氏菌诱导的结肠炎的小鼠模型(链霉素治疗的小鼠模型)。Tis模型再现了人类感染非伤寒沙门氏菌菌株的关键方面，如中性粒细胞浸润。感染S. Tm会降低盲肠和结肠内容物中的丁酸盐利用率，并显著增加乳酸浓度 (图6A-D)。我们用等量的S. Tm野生型菌株和不能利用l -乳酸的突变体(ΔlldD)混合感染LdhaΔIEC小鼠和同窝对照小鼠。我们发现，在非感染性结肠炎模型中，上皮LDH活性的减弱可改善炎症，与此相反，我们发现，在感染沙门氏菌的LdhaΔIEC小鼠中，盲肠炎症与同窝对照相比无显著差异 (图6E)。感染性和非感染性结肠炎之间的差异可能是由于在感染性结肠炎模型中，炎症仅由沙门氏菌的毒力因子驱动。与之前的报道一致，在同窝对照中，野生型菌株比ΔlldD突变株优势 (约5倍) (图6F, G)。重要的是，在LdhaΔIEC小鼠中，利用L-乳酸带来的适应性优势显著下降 (图6F, G)，表明沙门氏菌在感染期间消耗上皮产生的乳酸。

图6. 沙门氏菌消耗肠上皮产生的乳酸

结论及展望

肠道侵入过程中，肠上皮细胞释放的乳酸盐会影响肠道相关微生物群的代谢。这些结果表明，在肠道感染和生物失调期间，代谢产物可利用性的变化可使结肠炎相关的微生物群组成紊乱永久化。

原文链接

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-022-01389-7

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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