Science｜肠菌如何“找家安家”？

撰文｜617

近年来的研究发现，动物肠道内定植的微生物群落具有多种作用，如合成维生素、辅助调节宿主免疫、抵抗病原体【1-4】。那么微生物如何才能成功定植于宿主肠道呢？这取决于多种因素，包括细菌对营养物质、pH值和氧气的需求，对胃酸、胆盐、免疫相关效应物的抵抗力，以及与其他细菌的竞争能力【5】。尽管我们对影响细菌定植的因素已经有了一定的了解，但是对宿主和细菌如何互相识别并维持特异性定植仍知之甚少。

近日，卡内基科学研究所William B. Ludington团队在Science杂志上发表了题为A conserved bacterial genetic basis for commensal-host specificity的文章。该研究以果蝇为模型，利用活体成像等技术揭示了共生肠菌植物乳杆菌（Lp）在宿主肠道特定区域特异性定植的遗传和分子机制，发现Lp特异性定植于前肠部位是依赖于其线性质粒上编码的一个“定植岛（colonization island） ”。

果蝇因其肠道微生物组多样性低，通常拥有5-20种共生肠菌，而逐渐成为肠道微生物组领域的热门动物模型之一。此前的研究表明，广泛应用于人类和动物的益生菌——Lp可以稳定定植在果蝇肠道中【6-7】。因此，作者选用果蝇为模型，研究了Lp的定植。

首先，作者比较了不同来源的Lp在果蝇中的定植情况。结果发现，相比于分离自人、实验室果蝇和饲料的Lp，来自于野生果蝇的Lp （LpWF） 能够更高效地定植于果蝇肠道。进一步为了在单细菌水平研究细菌的定植情况，作者优化了Bellymount视频显微镜技术，从而成功实现在果蝇活体内可视化表达mCherry 的细菌细胞。利用该技术，作者发现，LpWF并非瞬时粘附，而是通过一种高亲和力的粘附形式进行定植，且该定植仅发生在前肠区域。

接着，作者比较了LpWF基因组与其他来源的Lp基因组，然而并未找到可能与这一特异性粘附有关的SNP，因此作者进一步利用进化实验和测序技术以发掘与该特异性定植相关的基因。作者使用富含液体的培养基连续培养LpWF ，在消除对果蝇附着的选择压力的同时，保持对其强劲生长的选择。在经过51代传代后，所有重复均显示LpWF定植能力显著下降，且生长速率不变。其中，第51代的重复3——LpWF R3P51是定植能力最弱的菌株。

接着作者对LpWF R3P5进行了测序，比较其与LpWF的异同。由于illumina短读长测序结果组装得到的基因组高度碎片化，因此，作者进一步使用长读长测序技术PacBio HiFi对LpWF和LpWF R3P51进行了测序。基于长读长测序结果，作者组装获得了4个环形质粒和1个线性质粒。结果发现，与LpWF相比，LpWF R3P51的线性质粒pKG-WF丢失了一个长度为 82.8 kbp 的连续区域。

对这一丢失区域进行功能注释，发现了80个开放阅读框 （ORF） ，包括2种属于富含丝氨酸重复蛋白 (SRRP) 类别的粘附素，分别被命名为srpA和srpB。粘附素是一种有助于细菌附着于宿主组织的蛋白质。此外，该区域还包含辅助 SRRP 分泌基因——aSec 系统。研究表明，SRRP通常会在细菌的细胞壁上形成小纤维。作者使用负染色电子显微镜 技术，观察到LpWF细胞表面存在长度约为 500 nm 的丝状结构。

为了进一步确认线性质粒pKG-WF丢失区域的作用，作者对LpWF的这一区域进行了敲除。敲除后，突变株表面的小纤维消失，定植效率显著下降，与LpWF R3P51类似，表明这一区域对于定植是必需的，因此作者将这一区域称为“定植岛”。

随后作者还对srpA和srpB进行了敲低实验。结果显示，单独敲低srpA并未显著影响LpWF定植，但单独敲低srpB显著减少LpWF的定植，同时敲低两个基因则严重影响LpWF的定植，表明srpB在定植中发挥了更重要的功能，且粘附素是LpWF定植所必需的。

图.含有SRRP的定植岛帮助Lp定植于肠道。

为了评估定植岛在Lp中的普遍性，作者对NCBI的公共数据进行了分析，鉴定出两株从野生果蝇中分离出的Lp——LpDm13和LpDm48携带定植岛。进一步的实验表明，在低剂量接种条件下，LpDm13和LpDm48几乎在所有果蝇中定植。且在敲除定植岛后，LpDm13突变株和LpDm48突变株的定植能力显著被削弱。上述结果表明，Lp中存在保守的特异性定植岛。

之前的研究仅在3个属中发现了具有aSec系统的SRRP，且三个属均属于乳酸杆菌目。为了探索定植岛在不同细菌属中的保守性，作者对专注于与人类相关的细菌数据库PATRIC进行了分析。结果在207个细菌基因组中发现了完整的定植岛，涵盖整个厚壁菌门，包括乳酸菌目和梭菌目，另外还有3个来自放线菌门和1个来自γ-变形菌门的细菌。进一步比较发现，尽管在整个发育系统中aSec基因具有广泛的同源性，但是粘附素之间存在差异，且具有宿主特异性。

最后作者评估了定植岛在菌株之间的传递方式。系统发育分析结果显示，定植岛可能存在于厚壁菌门的祖先中，且存在水平基因转移的情况，如革兰氏阴性菌阴性弯曲杆菌从革兰氏阳性菌表皮葡萄球菌中获得了定植岛。

综上，该研究通过活体成像技术追踪了果蝇共生菌Lp的定植情况，发现Lp特异性定植于前肠。而这种特异性定植依赖于线性质粒pKG-WF上编码的一个“定植岛”。该定植岛在肠道厚壁菌中广泛保守，提示存在一种常见的生态位识别机制。该研究为宿主-微生物特异性识别机制提供了新视角。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp7748

制版人：十一

参考文献

1. W. H. Karasov, C. Martínez del Rio, E. Caviedes-Vidal,Annu. Rev. Physiol.73, 69–93 (2011).

2. M. Sokolovskaya, A. N. Shelton, M. E. Taga,Science369, eaba0165 (2020).

3. A. J. McDermott, G. B. Huffnagle,Immunology142, 24–31 (2014).

4. J. Walter, M. X. Maldonado-Gómez, I. Martínez,Curr. Opin. Biotechnol.49, 129–139 (2018).

5. M. Wolter et al.,Nat. Rev. Gastroenterol.Hepatol.18, 885–902 (2021).

6. J.-H. Ryu et al.,Mol. Cell. Biol.24, 172–185 (2004).

7. G. Storelli et al.,Cell Metab.27, 362–377.e8 (2018).

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