Cell子刊：噬菌体对肠道菌群和代谢组的调控（一）

噬菌体对小鼠模型肠道微生态和代谢组的动态调控

Dynamic Modulation of the Gut Microbiota and Metabolome by Bacteriophages in a Mouse Model

图形摘要

噬菌体在体内如何影响细菌群落还不清楚。Hsu等人通过携带已知菌群的小鼠研究了这个问题。噬菌体捕食直接影响对应的敏感（susceptible）细菌，导致对其他细菌物种的级联（cascading）效应，并对肠道代谢组产生影响。因此，噬菌体可以用来调节菌群和宿主。

翻译：秋芒树 帝国理工硕士毕业，目前失学失业，求收留ヾ(@^▽^@)ノ

责编：文涛 南京农业大学

原文链接：https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(19)30246-X

Cell Host and Microbe [IF:17.872]

DOI: https://doi.org/10.1016/j.chom.2019.05.001

Resource 2019-06-04

第一作者：Bryan B. Hsu^1,2

合作作者：Travis E. Gibson³, Vladimir Yeliseyev³, Qing Liu³, Lorena Lyon^1,2, Lynn Bry³,

通讯作者：Pamela A. Silver^1,2,  Georg K. Gerber^3,4

Email: pamela_silver@hms.harvard.edu (P.A.S.), ggerber@bwh.harvard.edu (G.K.G.)

1 哈佛医学院系统生物学系 (Department of Systems Biology, Harvard Medical School, Boston, MA 02115, USA)

2 哈佛大学威斯生物启发工程研究所 (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard University, Boston, MA 02115, USA)

3 美国 波士顿 马萨诸塞 宿主微生物互作中心 哈佛（附属）的布里格姆妇女医院 Massachusetts Host-Microbiome Center, Department of Pathology, Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA
02115, USA

总结

人类肠道菌群由密集定殖的微生物组成，包括噬菌体，它们彼此之间，以及与哺乳动物宿主之间具有动态相互作用。为了解决噬菌体如何影响肠道细菌群落的问题，我们研究了噬菌体对模型菌群的动态影响。已知的人类肠道共生细菌在无菌小鼠中定殖，并受到有关联的（cognate）裂解噬菌体的捕食。我们发现噬菌体捕食不仅直接影响敏感（susceptible）细菌，还通过细菌间的相互作用对其他细菌物种产生级联（cascading）效应。此外，代谢组学分析还显示，噬菌体捕食引起的菌群变化对肠道代谢组产生了直接的影响。因此，我们的工作提供了噬菌体作为细菌定殖调节剂重要的生态学意义的见解，还表明了肠道噬菌体可以靶向调控细菌，这在哺乳动物治疗方面存在潜在应用的价值。

介绍

我们的身体包含的细菌细胞数目和我们自己的细胞数目一样多，结肠中的细菌细胞密度最大，为10¹⁴个。这种微生物组通过代谢交叉喂养和启动免疫系统等机制有益于人类健康。相反，不平衡或衰竭的（depleted）微生物组可能是有害的。与异常微生物组相关的疾病包括营养不良、胃肠疾病、肝脏疾病、心脏疾病和大脑疾病。随着我们对肠道微生物组在人类健康和疾病中的作用有了更多的了解，首要的问题就变成了: 肠道中的哪些因素影响我们的微生物，我们应该如何利用这些知识来调控微生物组？

目前调节肠道微生物组的途径包括饮食变化和抗生素，但这些方法会引起广泛和潜在的长期干扰。 对于肠道微生物组处于初期（nascent）状态的婴儿来说，干扰的后果尤其令人担忧，因为干扰会在短期内导致菌群多样性减少和不稳定增加，长期可导致过敏性疾病、肥胖症和哮喘发病率增加。对成年人来说，肠道微生物组被广泛破坏会导致短暂或更长时间的功能障碍状态，称为失调（dysbiosis），通常情况下，生态多样性会减少。因此，从基本的科学和治疗角度来看，需要在复杂的群落中更精确和合理地调节肠道菌群的策略。实现这一目标的有前途的方法是研究肠道细菌的生态拮抗剂（ecological antagonists）- 噬菌体。类似于为治疗目的研究天然产物或其衍生物，研究噬菌体在肠道中的作用可以为下面这些问题阐明新的路径：

(1)有目的性和合理地调控特定细菌；

(2)阐明细菌间和细菌-哺乳动物宿主相互作用介导的因果关系，以及

(3)最终设计精确和可预测的方法来重塑肠道微生物群落以达到治疗目的。

噬菌体是原核病毒，是肠道中最丰富的微生物之一，但也是最不为人知的微生物之一。这些病毒通常通过对细菌裂解性侵染或溶源性侵染来繁殖，通常具有物种水平的特异性。虽然它们的宏基因组组成与炎症性肠病和营养不良等疾病有关，但对噬菌体在肠道中的实际作为仍知之甚少。类似于理解宏观环境中顶级捕食者的重要性，阐明噬菌体的捕食行为有可能在胃肠生态系统中提供类似的见解。然而，追踪噬菌体捕食对哺乳动物宿主和微生物代谢的因果关系极具挑战性。被已知的、物种数量有限的，但仍然复杂的细菌群落所定殖的无菌小鼠，为全面表征噬菌体在肠道环境中的行为提供了一个有吸引力的模型系统。
例如，Reyes等人将从粪便中纯化出来的未经描述的（uncharacterized）类病毒颗粒（viral like particles）混合物施加于已经定殖有15种细菌无菌小鼠中，并从噬菌体基因组的增加和细菌基因组的减少中得出结论，即可能是逐步（stepwise）的噬菌体-细菌感染机制在起作用。尽管作者推断了两种噬菌体的噬菌体-细菌相互作用，但他们无法类似地识别在施加噬菌体后，其他三种噬菌体在肠道中持续存在的易感细菌。他们的研究的缺陷在于，无法在体外验证这些相互作用，并且他们研究中使用的是未经描述的噬菌体，这就会带来含混不清的影响。这些缺陷都突出表明了需要利用一组确定的、经过描述的噬菌体和一组确定的细菌群落。

在这项工作中，我们将裂解性噬菌体施加在已经被一组确定的人类共生细菌中定殖的无菌小鼠中，并使用高通量测序和定量PCR纵向地跟踪每种微生物的反应。我们发现噬菌体导致肠道中敏感（susceptible）物种被靶向地敲低（knockdown），并通过细菌间的相互作用进一步调节其他的细菌，导致这些物种的大量繁殖或者灭亡（blooms and attrition）。通过比较一个完整细菌群落的定殖模式和那些被噬菌体靶向排除了的细菌物种的定殖模式，我们发现了噬菌体同时捕食的因果效应。

利用广泛的代谢谱，我们证明噬菌体捕食不仅引起细菌的组成变化，并调节肠道代谢组。这些发现暗示了噬菌体捕食对哺乳动物宿主的影响，以及噬菌体在治疗中的潜在用途。

结果Result

1 噬菌体对人类肠道代表性共生细菌具有个体特异性

Phages Are Specific for Individual Species among Representative Human Gut Commensals

我们构建了一个由兼性厌氧和专性厌氧共生细菌组成的微生物群落模型，可以稳定地在无菌小鼠中定殖。
这十个选定的物种代表了人类肠道微生物组中的主要门，即厚壁菌门(Firmicutes) 中的 Clostridium sporogenes  和 Enterococcus faecalis、拟杆菌门(Bacteroidetes)中的Bacteroides fragilis, Bacteroides ovatus, Bacteroides vulgatus 和 Parabacteroides distasonis、变形菌门(Proteobacteria)中的Klebsiella oxytoca, Proteus mirabilis,  Escherichia coli和Nissle 1917和疣状球菌门(Verrucomicrobia)中的Akkermansia muciniphila。所选的每一个物种都很容易从菌株集合中获得，也可在体外培养，并具有遗传特征。我们选择了其中四个物种的转移裂解性噬菌体，因为它们在微生物库中可获得，也可以在过去的文献中检索到相关的描述，分别是E. coli 的T4噬菌体、C. sporogenes 的F1噬菌体、B. fragilis 的B40-8噬菌体和E. faecalis 的VD13噬菌体。

我们首先通过测试噬菌体对一组人类肠道共生细菌的裂解能力来验证噬菌体的特异性。我们使用斑点试验（spot assay），测试了每种细菌对5毫升的每种裂性噬菌体的敏感性(~10⁹ pfu/毫升)。根据细菌的培养条件，在37℃好氧或厌氧培养后，我们发现
T4噬菌体、F1噬菌体、B40-8噬菌体和VD13噬菌体只裂解它们的敏感细菌，对其他共生细菌没有明显影响。

图1 哺乳动物肠道噬菌体行为的动态特征

(A)用含有2 10 ⁶ 至
2 10 ⁷ cfu的细菌混合物对单独饲养的无菌C57Bl/6小鼠(n = 5)进行口服管饲（gavage）。在第16.1天和第30.1天，用碳酸氢钠灌胃以中和胃酸，随后每种噬菌体饲喂 2 * 10 ⁶ pfu。在整个实验过程中定期收集粪便样本，使用分子方法对其中的细菌和噬菌体进行定量。

(B)每种噬菌体和靶向的细菌的浓度分别显示为(每克粪便中估计的pfu)和(每克粪便中估计的cfu)。y轴的浓度以log₁₀转化后显示。

(C)小鼠选定样品中E. faecalis 的数量(n = 5)和体外测定的抵抗VD13噬菌体裂解的菌落百分比。