密歇根大学：微生物介导的定殖耐药：机制和调控

背景

哺乳动物的肠道寄居着数万亿微生物，包括细菌、病毒、真菌、古细菌和原生动物，它们与宿主以共生关系共同进化。驻留在宿主内的微生物群的集合通常被称为微生物群。微生物共生体在出生后立即定植哺乳动物宿主。在成年人中，革兰阴性假单胞菌门 (原为变形菌门)、拟杆菌属 (原为拟杆菌门)和革兰阳性杆菌门 (原为厚壁菌门) (包括梭状芽孢杆菌目和乳杆菌目)是肠道真细菌的主要门。小肠和大肠的微生物群落存在差异，同一肠段的黏膜相关菌群和管腔内菌群也存在差异，这些差异反映了单个细菌不同的营养和代谢需求。在肠道中，常驻细菌已经适应了肠道环境，并与宿主生态位和其他共生体发展了复杂的相互作用，以获取生存所需的营养。此外，微生物之间相互竞争以争夺空间和养分，这种竞争不仅调节了群落的组成，还限制了本地和外来微生物在肠道的定植能力。

简介

2022年12月20日，来自美国密歇根大学医学院的Gustavo Caballero-Flores及其团队在Nat Rev Microbiol (IF: 78.297)杂志上发表名为Microbiota-mediated colonization resistance: mechanisms and regulation的研究[1]。

主要结果

接触依赖性抑制

虽然细菌素和类似分子可以从产生细胞扩散到一定距离，但一些抑制机制需要细胞间的直接接触 (图1)。在大肠杆菌和其他假单胞菌中发现了一种细胞接触依赖性生长抑制系统，称为接触依赖性抑制 (CDI)。接触依赖性抑制需要靶细胞上的特异性受体蛋白，并且可以编码具有不同抑制模式的不同毒性效应域。这些基因通常伴随着一种免疫蛋白，中和毒素以保护生产细胞。一个更复杂的接触依赖性系统首次在铜绿假单胞菌中被发现。

抑制代谢产物

细菌产生的代谢副产物可对其他肠道细菌发挥抑制活性 (图1)。胆汁酸 (BAs)由宿主合成，在肝脏中与牛磺酸或甘氨酸结合，储存在胆囊中并释放到肠道中，帮助膳食脂肪的乳化和吸收。虽然大部分结合的初级BAs在小肠内被重吸收，但有一小部分可以被细菌胆盐水解酶解离并到达远端肠道，在那里它们经过多种修饰，包括被稀有细菌(如闪烁梭状芽胞杆菌)进行7α/β-脱羟基作用，以生成二级BAs。虽然初级BAs促进孢子萌发，但次级BAs如脱氧胆酸和石胆酸抑制许多革兰氏阳性细菌的生长，包括艰难梭菌的营养形态。在小鼠和人类中，继发性BAs的存在与抵抗艰难梭菌感染和结肠炎的发生相关。同样，向定植了缺乏7α-去羟化活性的简化微生物群的适生小鼠施用梭状芽胞杆菌，可部分恢复继发BA生成，从而限制艰难梭菌感染。相反，抗生素对微生物群组成的选择性破坏增加了对艰难梭菌的易感性，与继发性BAs水平降低相关。在小鼠感染模型中，不同临床分离的艰难梭菌对石胆酸的耐受水平与疾病严重程度呈正相关。值得注意的是，即使在没有可检测到继发性BAs的情况下，梭状芽胞杆菌也可以保护艰难梭菌感染，这表明了一种不依赖于BAs的保护机制。因此，需要进行更多的研究来充分解读BAs对艰难梭菌和其他感染的具体作用。

图1. 定植抵抗的直接机制

间接机制

除了通过共生菌或其产物直接抑制病原体定植之外，还存在限制肠道病原体在肠道内入侵和/或扩张的间接防御机制 (图2)。这些机制包括黏液层和氧梯度，以及由肠道微生物群诱导或维持的、以限制病原体定植的先天和适应性免疫应答。

黏膜屏障

黏液层形成了一个物理屏障，限制了病原体与底层上皮的相互作用 (图2)。病原体，如啮齿类弯曲杆菌、沙门氏菌和一些致病性大肠杆菌菌株，需要附着在肠上皮上，以启动其毒力程序和有效定植。由于生长因子动物的黏液层比常规饲养的小鼠薄，因此微生物共生体可能通过加强黏膜屏障来限制病原体定植。缺乏黏蛋白2 (肠黏液的主要成分)的小鼠在感染啮齿动物隐球菌、鼠伤寒沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌后表现出更高的病原体负荷和疾病严重程度。同样，对于携带简单菌群的无菌小鼠，通过给予无纤维饮食使黏液层变薄，导致啮齿隐球菌定植和上皮侵袭增强。然而，在喂食类似无纤维饮食的常规饲养小鼠中，病原体定植的增加只是轻微和短暂的。这些结果提示，在黏液层破坏的情况下，多样化的微生物群对于促进黏液屏障功能和抵抗定植很重要。

氧梯度

肠道微生物群促进肠道环境的变化，从而间接导致对肠道病原体和致病菌的定植抵抗。这一效应的一个明显例子是共生菌建立和维持肠道缺氧，以限制致病性兼性厌氧菌的扩张 (图2)。例如，梭菌属通过β-氧化产生SCFA丁酸盐，从而降低上皮表面的氧浓度，促进IECs的有氧呼吸。因此，梭状芽孢杆菌的耗竭会增加肠道内的氧水平，进而促进鼠伤寒沙门氏菌的有氧扩增。同样，肠道炎症和生态失调往往与丁酸和丁酸生成菌减少同时发生，而丁酸和丁酸生成菌减少会增加腔内氧和致病性兼性厌氧菌的扩增。共生兼性厌氧菌反过来可以通过竞争或隔离肠道内的残余氧来限制病原体定植，损害福氏志贺菌的氧依赖性毒力基因表达，以及啮齿弯曲杆菌和肠沙门氏菌亚种的有氧呼吸。肠炎血清型。此外，其他共生体也可在缺氧的情况下竞争硝酸盐等厌氧呼吸底物，从而限制了依赖硝酸盐呼吸在炎症肠道中生长的大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的扩张。

图2. 定植抵抗的间接机制

通过毒力因子构建生态位

病原体依赖于毒力因子成功感染宿主 (图3)。主要的例子是沙门氏菌使用T3SS将效应蛋白注入宿主细胞并改变其生理，或者艰难梭菌或霍乱弧菌分泌的毒素。肠道病原体使用的大多数毒力方案都致力于改变生态位，以更好地促进病原体的生长，也称为“生态位构建”。鼠伤寒沙门氏菌、鼠伤寒沙门氏菌和其他肠杆菌科细菌是兼性厌氧菌，它们不仅能够好氧生长，还能够通过发酵或呼吸各种底物进行厌氧生长。相比之下，大肠中的大多数共生细菌都是发酵菌，对氧气高度敏感。因此，如果氧气或其他呼吸底物可用，兼性厌氧菌病原体将获得生长优势。例如，在感染小鼠时，鼠伤寒沙门氏菌附着于盲肠或结肠上皮，在那里氧含量最高。病原体利用其T3SS向宿主上皮细胞注射效应子，导致隐窝细胞特征性增生。这会改变上皮细胞的整体代谢，从而导致耗氧量减少。过量的氧气随后可被啮齿类动物呼吸。事实上，甚至在增生发生之前，啮齿动物就可以在T3SS介导的早期附着过程中吸入上皮NADPH氧化酶 (NOX1)产生的过氧化氢。为了规避微生物群施加的氨基酸限制，这种病原体诱导氨基酸生物合成基因产生其自身的氨基酸，这对于肠道定植是必需的。

图3. 病原体逃避定植抵抗

结论及展望

肠道和许多上皮表面存在着密集而多样的微生物群落。微生物群与宿主共同进化，对宿主的许多生理过程有益。这些共生微生物的主要功能是防止病原体定植和本土病原体的过度生长。正常微生物群落的生态失调增加了病原体感染和有害病原体过度生长的风险。微生物群赋予的保护机制是复杂的，包括竞争性微生物-微生物相互作用和诱导宿主免疫应答。而病原体则进化出多种策略来颠覆微生物群赋予的定植抵抗。了解微生物共生体限制病原体定植的机制可指导开发预防或治疗疾病的新疗法。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41579-022-00833-7

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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