《科学》聚焦真菌AB面，全新认知和待解问题都有啥？

这是《肠道产业》第 303 篇文章

编者按：

近年来，人们越来越关注共生微生物与宿主健康的关系，但是大部分的研究都集中于细菌。不过，也有一些科学家将目光投向了真菌，重点研究宿主-真菌之间的相互作用，进而探讨真菌在人类健康与疾病方面的潜能。

今天，我们特别编译了发表在 Sciecne 杂志上关于真菌研究现状与未来发展的文章，该文总结了一些关于真菌的最新研究并探讨了真菌研究的重点和难点。希望本文能够为诸位读者带来一些启发。

非细菌成分：真菌

定植在人体中的真菌会与宿主和其他微生物（如细菌）发生多种互相作用，这些互相作用由多种因素决定，包括宿主生理和免疫以及营养竞争。

研究发现，真菌定植对宿主具有一定的有益作用，包括抵御病原菌和调整免疫系统。尽管其对健康的具体影响还需要继续研究，但是，最近的研究已经发现了真菌在人类疾病中的一些作用，包括炎症性疾病和特定癌症。

但是，真菌也会引起感染。目前，真菌感染所带来的全球性负担在不断增大，这是因为高危患者的增多和对已有抗真菌药物产生的耐药性。因此，我们需要更多的真菌研究来克服目前存在的多种困境。

真菌包括单细胞酵母、多细胞霉菌和以酵母和丝状细胞形式出现的双态性真菌。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、新生隐球菌（Cryptococcus neoformans）、念珠菌（Candida）、马拉色菌属（Malassezia spp）是研究较多的酵母；青霉菌（Penicillium）、毛霉菌（Mucor）、曲霉菌（Aspergillus）是广为人知的霉菌。

（编者注：双态性真菌指可存在霉菌/菌丝/丝状形式或酵母形式的真菌，如马尔尼菲青霉菌在室温下，它作为霉菌生长；在体温下，它作为酵母生长。）

与许多微生物一样，真菌之前一直被当做是一类与人类感染相关的致病菌。念珠菌造成的血液感染是真菌感染疾病中最为常见的一种，在美国，每 1 万人中就存在一个人感染该疾病。在全球范围内，隐球菌引起的脑膜炎造成了巨大的负担，尤其是在 HIV 阳性患者中。

由于可用的抗真菌治疗的缺乏，所以造成了真菌感染引起的发病和死亡。一般来说，抗真菌药物主要包括唑类（氟康唑）、棘白菌素类和两性霉素 B。然而，氟康唑是世界上许多地方唯一可用的抗真菌药物。

另外，一些真菌疾病由于患者的非特异性症状、侵入性组织取样、特定的培养条件以及复杂识别技术的需要等问题导致难以诊断。

曲霉菌孢子经常被吸入肺部，但只会导致某些人的疾病。

真菌：对病原体定植的抗性

最近的研究开始探究真菌是如何对宿主产生潜在的有益或有害作用。人类共生真菌的典型表现是对病原体定植的抗性。

一个例子是与人类皮肤紧密相关的优势菌——马拉色菌属（Malassezia），这类真菌可以利用皮脂作为营养物质，并能够分泌抗菌产物，以阻止细菌病原体，进而维持它们所占据的生态位¹。

另一个关于抗定植的例子是胃肠道中的白色念珠菌（Candida albicans）。在进化实验中，发生突变的白色念珠菌能够更稳定地在小鼠肠道中定植。而且这些演化菌株能够更好地对抗一些具有毒性的真菌（如致病白色念珠菌、烟曲霉 Aspergillus fumigatus），以及细菌（如金黄色葡萄球菌、绿脓假单胞菌）²。

然而，这些白色念珠菌菌株的演化现象只会在使用抗生素处理的小鼠中出现，并且这些真菌无法在携带了完整肠道菌群的小鼠中稳定定植，这一结果强调了遗传的权衡（genetic trade-offs）存在于对宿主的适应和微生物群落竞争中。此外，进一步的实验表明，调控形态的转录因子的突变是影响白色念珠菌对肠道适应性的重要因素³。

关于该研究《热心肠日报》做过相关的报道：

Cell子刊：白色念珠菌如何在共生及致病形态间切换

Cell Host and Microbe——[15.753]

① 在小鼠定殖模型中，白色念珠菌的酵母形态和菌丝形态在整个胃肠道中共同存在；② 白色念珠菌从酵母变为菌丝的形态发生过程，抑制了其在肠道中的共生；③ 转录因子Ume6是菌丝形成的主要调控因子，通过激活菌丝特异性促炎分泌蛋白酶（Sap6）和菌丝细胞表面粘附素（Hyr1）的表达抑制肠道定殖；④ 与ume6突变体一样，缺乏SAP6的菌株有更强的定殖适应度，而SAP6过表达的菌株定殖能力减弱；⑤ 白色念珠菌的共生适性与菌丝特异性毒力因子的表达负相关。

Candida albicans Morphogenesis Programs Control the Balance between Gut Commensalism and Invasive Infection
2019-03-13, doi: 10.1016/j.chom.2019.02.008

【主编评语】白色念珠菌是一种条件致病性肠道共生真菌，其在酵母与菌丝之间的形态转化对其毒力及在肠道中的共生生长十分关键。《Cell Host and Microbe》上发表的一项最新研究发现，转录因子Ume6是白色念珠菌菌丝形成的主要调控因子，对阐释白色念珠菌的共生形态及致病形态在宿主体内的平衡维持机制有重要参考价值。（@szx）

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除了这些宿主-微生物间的直接互作外，小鼠肠道中定植的白色念珠菌还可以调控宿主免疫：通过增加中性粒细胞在血流中的循环，激发全身的真菌特异性 Th17 CD4+T 细胞增殖及 IL-17 反馈，从而防止一些细菌和真菌的侵入，但不包括病毒感染⁴。

此外，体外实验还发现白色念珠菌可以诱导来自健康人的烟曲霉特异性的 TH17 CD4+T 细胞产生 IL-17A 和 IL-22，这一结果同样证明了白色念珠菌可以调节人体免疫⁵。

关于上述研究《热心肠日报》做过相关的报道：

Cell子刊：共生真菌引发的免疫“双刃剑”效应

Cell Host and Microbe——[15.753]

① 共生白色念珠菌在肠道中的长期定植，可帮助宿主抵御白色念珠菌的致病性感染和其他胞外感染病原菌入侵；② 白色念珠菌的共生定植，会通过中性粒细胞在血流中的循环，激发全身的真菌特异性Th17 CD4+T细胞增殖及IL-17反馈，增强对胞外致病菌的抵抗能力；③ 这种Th17活化反应无法抵御流感病毒引起的胞内感染，而且会加重对过敏性上呼吸道炎症的敏感性；④ 由白色念珠菌上调的Th17免疫反馈具有两面性，并非都是有益的。

Commensal Candida albicans Positively Calibrates Systemic Th17 Immunological Responses
2019-03-13, doi: 10.1016/j.chom.2019.02.004

【主编评语】致病菌的定植不一定导致感染。《Cell Host and Microbe》近期发表研究，发现白色念珠菌的共生定植会特异性活化全身免疫反馈，该反馈具有两面性，一方面帮助机体抵御由致病菌引起的细胞外感染，另一方面会加重对过敏性上呼吸道炎症的敏感性。该结果对阐释共生真菌-宿主免疫互作具有重要参考价值。（@周旸）

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Cell：抗真菌Th17，是敌是友均由白色念珠菌决定？

Cell——[36.216]

① 白色念珠菌是诱导人体产生抗真菌辅助T细胞17（Th17 ）的主要致病共生真菌；② 其他种类的真菌引起的Th17免疫反应，依赖于白色念珠菌诱导的交叉反应性Th17；③ 肠道炎症状况会增加白色念珠菌及其诱导产生的Th17；④ 气生真菌烟曲霉引发的呼吸道炎症疾病中（如急性过敏性肺曲霉病），交叉反应性Th17被选择性的活化和扩增，使疾病加剧；⑤ 白色念珠菌驱动的异源免疫，是人体系统性诱导抗真菌Th17应答的核心机制，也是肺部炎症疾病的潜在风险因素。

Human Anti-fungal Th17 Immunity and Pathology Rely on Cross-Reactivity against Candida albicans
2019-02-21, doi: 10.1016/j.cell.2019.01.041

【主编评语】辅助T细胞17（Th17）的功能是双刃剑，一方面起到免疫保护作用，但也可能与免疫相关病理有关。《Cell》近期发表研究，发现白色念珠菌是诱导人体（Th17 ） 的主要致病共生菌，而且Th17 在不同感染状况下确实表现出免疫或促炎两种作用。本文结果对探究Th17的功能、研究人体炎症病因及机理具有参考价值。（@周旸）

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真菌感染

由于宿主与微生物之间相互作用的复杂性，因此，宿主或者微生物的任何变化都可能会导致感染，这些感染包括：慢性着色芽生菌病、皮肤癣菌感染、急性阴道酵母菌感染、毛霉菌感染（常见于糖尿病患者）、念珠菌败血症和侵袭性曲霉菌病。

人类免疫缺陷为宿主-微生物的相互作用提供了新见解。

比如，HIV 感染晚期的患者可能会患有特定的机会性真菌感染，比如隐球菌性脑膜炎、粘膜念珠菌病和杰氏肺囊虫肺炎。

而在接受造血干细胞移植的患者中，在发生念珠菌造成的血液感染之前，肠道菌群会发生明显改变（包括念珠菌属的显著增加），这些现象或可作为生物标记物并改善当前的医疗管理⁶。

另外，宿主-真菌在免疫上的相互作用的特异性还体现在与遗传相关的原发性免疫缺陷综合征患者中。比如，慢性肉芽肿性疾病、自身免疫性多内分泌病-念珠菌病-外胚层营养障碍（APECED）或半胱氨酸蛋白酶募集域蛋白9（CARD9）缺乏症等疾病，都会使患者容易感染某些真菌。

宿主特异性的真菌易感的其他例子还包括缺乏趋化因子（C-X-C motif）受体 1 基因（Cxcr1）的小鼠。这类小鼠的中性粒细胞对念珠菌的杀灭存在一定缺陷，导致这些小鼠的存活率降低并且真菌负荷增加。这种表型也出现在扩散性念珠菌患者和具有 CXCR1-T276 等位基因的健康个体，这些个体的中性粒细胞对念珠菌杀灭力受损⁷。

复发性外阴阴道念珠菌病是一种局部真菌感染，据估计影响了全球超过一亿妇女。

该疾病与 SIGLEC15（sialic acid–binding immunoglobulin-like lectin 15）基因的功能变异有关⁸。由免疫细胞表达的 SIGLEC15 与白色念珠菌结合，从而诱导 IL-17A 和干扰素-γ（IFN-γ）的产生，提示其在抗白色念珠菌的免疫反应中的作用。

宿主易感性（例如皮肤癣菌或穿透性伤口）还会造成更持续或更严重的真菌感染。

综上，进一步研究免疫相关基因中单核苷酸多态性（SNP）变异与粘膜或危及生命的真菌感染易感性的关系，对未来发展风险分层的精确医疗和对高风险真菌感染的预防治疗具有一定的指导意义。

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真菌与其他人类疾病

随着对真菌研究的进展，研究人员发现了炎症和自身免疫疾病与真菌群落的改变之间的关联。

CARD9 和 CLEC7A（C-type lectin domain–containing 7A）中与编码 Dectin-1 相关的 SNP，与人体中的炎症性肠炎存在关联。

Dectin-1 是一种 C 型凝集素受体（CLR），能够识别真菌细胞壁中的 β-葡聚糖，并能通过 CARD 信号诱导炎症介导因子的产生和 T_H1、T_H17 细胞的分化。缺乏 Dectin-1 的小鼠会表现出更严重的实验性结肠炎，并且携带的热带念珠菌（C. tropicalis）会增加。而在人体中，CLEC7A 上的一个 SNP 与更加严重的溃疡性结肠炎相关⁹。

类似地，克罗恩疾病患者与健康对照相比，具有更高的马拉色菌（Malassezia）相对丰度，而且经管饲给予马拉色菌可以使小鼠实验性结肠炎恶化，并且也是通过激活 CARD9 信号和下游 T_H1 和 T_H17 细胞极化这一机制¹⁰。

遗传消融 CX3CR1+ 的单核吞噬细胞表达的抗真菌的 CLRs 也会使小鼠实验性结肠炎恶化。

此外，研究还发现克罗恩疾病患者的 CX3CR1 错义突变与免疫球蛋白 G（Ig G）对真菌反应的降低之间有一定联系¹¹，这些实验表明炎症疾病可能由宿主-真菌失衡导致。

尽管细菌和病毒与癌症有一定联系，但是真菌通常没有。然而组织学观察发现，大量的瘤内真菌，特别是马拉色菌，会浸润人胰管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinomas, PDAs）。对 PDA 小鼠模型的进一步研究发现，真菌从肠道到胰腺的转移和马拉色菌的增加都会使 PDA 的进程加速，并且抗真菌治疗能够减缓胰腺癌症的进程¹²。

补体级联反应能够通过刺激促炎症途径将免疫识别和杀灭真菌与肿瘤发展联系起来。而人体组织表达的甘露糖结合凝集素（mannose-binding lectin ,MBL），可以激活补体级联反应，这一机制与 PDA 患者较差的生存率有关。同样，PDA 在小鼠中的发展进程也依赖于马拉色菌刺激 MBL。

这项研究促使研究人员重新考虑真菌和人类疾病之间的潜在联系。

真菌的耐药性 

耳念珠菌（Candida auris）成为了真菌类病原体中最受到关注的真菌，因为它已经进化出了对所有抗真菌药物的耐药性，特别是唑类药物。许多国家都报道了耳念珠菌导致的血液感染的爆发。耐药性的蔓延导致这些感染很难治疗，所以造成了较高的致死率。

在过去十年中，耳念珠菌中的 4 个不同菌株独立地出现在不同大陆。然而，在 2009 年，人们才首次将耳念珠菌鉴定为人类致病菌，而且其起源仍是一个谜题。

耳念珠菌具有长期定植在人类皮肤上的倾向，这是其它念珠菌不具有的典型特征，因此这一点值得关注，因为耳念珠菌可能会从患者身上转移到环境中，从而导致其在医疗机构内的传播¹³。

一种新的人类致病真菌的出现，突显了我们对新型抗菌药物、环境消毒剂、绘制包括全球真菌多样性在内的基因组数据以及统一全球卫生应对措施的迫切需求。

真菌研究的未来

研究真菌在人类健康和疾病中的作用是具有挑战性的。虽然在人体内外同时存在着细菌、真菌和病毒，但是研究人员总是倾向于研究几种微生物物种，因为这比较容易。然而，不同的培养条件或代谢方式不同的双态性真菌可能会导致不同的功能和相互作用的产生。

然而，体内系统也具有局限性。比如，与野生型小鼠相比，传统实验室小鼠具有较低的真菌负荷和不同的免疫功能¹⁴。

此外，培养条件、哺乳动物宿主中的传代、抗真菌压力、高温或酸性 pH 等外界压力可能也会导致形态、真菌囊和细胞壁成分的改变。这些可能会触发宿主免疫系统，并从根本上改变真菌基因组。真菌基因组的可塑性，包括杂合性的消失、拷贝数的变化和异倍体，这表明了将宏基因组分析纳入到真菌对不同生态位适应性研究中的重要性¹⁵。

真菌研究具有一定的潜能，这包括了理解真菌如何对人类健康产生有益作用和如何利用真菌产生可能有益于临床的药物（比如盘尼西林来源于青霉菌）。

耳念珠菌的多种耐药性的出现，可能是由于气温升高与在农业和临床中大量应用的唑类药物。由于这些对宿主-微生物稳态的压力可能会一直存在并不断变化，因此，新的抗真菌药物的开发是对抗现有和将来病原菌的关键。

随着技术的发展，比如基于 CRISPR-Cas9 的真菌基因敲除技术，可以为验证遗传假设和阐明真菌致病生理学提供精确的工具，而更进一步的发展将会提高我们对真菌如何影响人类健康和疾病的理解。

参考文献：

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1.G. Wu et al., PLOS Genet. 11, e1005614 (2015).2.G. H. W. Tso et al., Science 362, 589 (2018).3.J. N. Witchley et al., Cell Host Microbe 25, 432 (2019).4.T. Y. Shao et al., Cell Host Microbe 25, 404 (2019).5.P. Bacher et al., Cell176, 1340 (2019).6.B. Zhai et al., Nat. Med. 26, 59 (2020).7.M. Swamydas et al., Sci. Transl. Med. 8, 322ra10 (2016).8.M. Jaeger et al., Sci. Transl. Med.11, eaar3558 (2019).9.I. D. Iliev et al., Science 336, 1314 (2012).10.J. J. Limon et al., Cell Host Microbe 25, 377 (2019).11.I. Leonardi et al., Science 359, 232 (2018).12.B. Aykut et al., Nature 574, 264 (2019).13.B. R. Jackson et al., J. Fungi 5, 58 (2019).14.S. P. Rosshart et al., Science 365, eaaw4361 (2019).15.A. Forche et al., mBio 2, e00129 (2011).

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原文链接：https://science.sciencemag.org/content/368/6489/365

作者｜Heidi H. Kong, Julia A. Segre

编译｜gemiu

审校｜617

编辑｜笑咲

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