聚焦《科学》杂志微生物组大奖，一览三大前沿热点

这是《肠道产业》第 1034 篇文章

编者按

近日，《科学》杂志公布了 2022 年 NOSTER & Science 微生物组奖获奖结果。该奖旨在嘉奖年轻研究人员对微生物组功能属性的创新研究，大奖获得者将获得 2.5 万美元的现金奖励。

今年的大奖获得者为 Jennifer Hampton Hill，Apollo Stacy 和 Irina Leonardi 则入围终选。三位研究员在《科学》杂志上发表了介绍自己研究内容的文章。

今天，我们特别编译上述三篇文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

Jennifer Hampton Hill
在美国加州洪堡州立大学获得本科学位，随后在俄勒冈大学 Karen Guillemin 博士实验室取得了生物学博士学位。目前，正在犹他大学 June Round 博士和 Charles Murtaugh 博士的实验室做博士后。

从细菌到β细胞

100年前，Frederick Banting 和 Charles Best 发现的胰岛素改变了 1 型糖尿病（T1D）的预后。几乎是一夜之间，T1D 从痛苦和死亡的代名词变成了一种可控、尽管困难但依然可以拥有长寿和完整生命的疾病。

自从胰岛素发现以来的一个世纪里，人们对糖尿病病因的理解取得了巨大进步。目前已知糖尿病是一种自身免疫性疾病，其特征是胰腺中产生胰岛素的β细胞受到破坏。

然而，当前仍未发现单一疗法，T1D 的治疗仍需要一种双重方法：抑制自身免疫，同时恢复内源性胰岛素的产生。针对后者，我们的工作表明，肠道菌群是以前未被发现的潜在宿主 β 细胞调节剂。

动物在充满微生物的世界中进化着，早期多细胞生命利用微生物线索收集环境信息（例如环境中有效的养分），从而来确定其代谢方式。包括果蝇和小鼠在内的许多动物，在没有微生物的环境中生长时，其代谢率会降低。

我们研究了动物是否能利用微生物线索来调节产生胰岛素的细胞数量。为了优化能量供给，动物需要保证胰岛素的生产能力与环境中的营养素供应间的平衡。因此，我们猜测宿主能结合来自其自身菌群的信息来完成上述优化过程。

我们利用脊椎动物斑马鱼模型，通过比较无菌（GF）以及常规饲养（CV）携带微生物的幼鱼，来研究有无微生物群对β细胞发育的影响。

我们发现尽管这两组幼鱼的卵黄提供的营养相差无几，但是CV组的β细胞数量明显多于 GF 组。采用还原论策略，我们系统地逐个添加斑马鱼肠道细菌及其分泌产物，最终确定了一种能够恢复 GF 组 β 细胞数量的蛋白。这一蛋白此前未被报道过，我们将其命名为 β 细胞扩增因子 A（BefA）。

对 BefA 相关基因序列的搜索显示，少数肠杆菌科细菌中存在同源基因。这些细菌通常存在于处于β细胞大量扩增阶段的健康哺乳动物菌群中。

为了测试 BefA 是否可能在哺乳动物中引发类似的反应，我们分析了小鼠模型中 β 细胞的发育情况。我们不仅发现新生 GF 小鼠的 β 细胞数量与GF幼鱼一样稀少，而且纯化后的 BefA 可以增加 β 细胞数量。

我们还注意到，无论是口服还是腹腔注射，纯化的 BefA 都能在 GF 斑马鱼和小鼠体内产生作用，这表明 BefA 可能已经到达胰腺。我们发现 BefA 可以直接诱导来自两种宿主的胰岛原代培养物的增殖。

虽然分子量较小的微生物代谢产物经常被认为具有系统传播性，但是，这是首次观察到肠道细菌分泌的蛋白质（分子量较大）具有如此深远的影响。

为了更好地了解 BefA 如何影响 β 细胞，我们解析了蛋白质的晶体结构。该结构揭示了一个先前未知的蛋白质折叠结构，该折叠可能是一个具有足以实现 BefA 活性的脂质结合域。

接着，我们确定了 BefA 能够与膜脂质结合，并扰乱脂质双层结构——这是抗菌蛋白（AMP）的共同特征之一，如在肠道中分泌以防止微生物入侵的 Reg 蛋白。值得注意的是，这些蛋白质最初是在胰岛中被发现的，因为它们具有再生 β 细胞的能力，但这种能力与它们的抗菌活性无关。

我们通过在 BefA 中几个预测的脂质结合残基上进行氨基酸替换位点来研究这一蛋白。其中一种氨基酸替代降低了 BefA 破坏细胞膜和刺激 β 细胞更新的能力。相反地，Reg3 可以诱导小鼠胰岛 β 细胞周转率的增加，说明膜扰动在β细胞扩增中的必要性和充分性。

卫生学假说认为，某些发病率急剧上升的疾病，如 T1D，是社会实践变化的结果，这些实践减少了微生物暴露，也减少了微生物的多样性。因此，人类可能已经失去了过去用来执行重要功能（例如刺激发育程序）的微生物。

在 T1D 患者中，肠道微生物组多样性的降低是该疾病发病的特征，这一特征也可以用来预测疾病的发生，这表明高危儿童可能缺少具有缓解疾病功能的特定微生物。

在新生儿 β 细胞扩增高峰期，健康婴儿肠道内有大量携带 BefA 的肠杆菌科细菌定植。未能在幼儿期形成足够的β细胞群可能会导致代谢紊乱，这表明缺少微生物信号，如 BefA，可能会使个体更易患糖尿病。如果确实是这样，在携带 T1D 风险等位基因的儿童中强化这些微生物活性可能是预防或延缓这一疾病的有效策略。

细菌进化出 BefA 并不是用来阻止宿主患上 T1D。早在动物进化出 Reg 蛋白之前，细菌就会通过制造 AMP 来与其他微生物竞争。动物细胞不得不感知并保护自己免受细菌膜干扰物的伤害。但是，动物细胞也可以从袭击中收集信息。由于细菌生长和竞争在营养丰富的环境中更加丰富，因此可以使用膜攻击的强度来衡量代谢需求。

也许早期动物的胰岛素分泌细胞对 AMP 特别敏感，因为这些珍贵细胞的损伤会危及生命。可能，动物进化出了属于自己的类 Reg 蛋白，具有抵御微生物入侵和刺激营养利用的双重功能。

把当前微生物多样性下降理解为古代发育线索的丢失，将帮助我们开发新的治疗策略，以纠正人类胰腺发育过程中传达的环境信息，从而避免 T1D。

Apollo Stacy

在华盛顿大学获得本科学位，在德克萨斯大学奥斯汀分校获得博士学位。目前是美国国立卫生研究院的博士后，并将在今年加入克利夫兰诊所 Lerner 研究所建立他自己的实验室。

“追忆”感染

本次 COVID-19 疫情再次给我们敲响警钟：病毒和其他传染性病原体会对生命和健康构成持续威胁。幸运的是，疫苗可以通过激发免疫记忆来增强我们对病原体的防御能力。

一旦建立起了免疫记忆，在与病原体的二次接触时，记忆细胞就能更快、更有力地做出应答。尽管以往的观点认为，免疫记忆是适应性免疫才有的特征，但现在的研究发现，先天性免疫也可以通过“训练”免疫细胞，来增强免疫记忆。不仅如此，研究人员还陆续发现，身体上的其他细胞也具有记忆的能力。

宿主对病原体的防御依赖于免疫系统和微生物组之间的协同作用。除了能够激活宿主对病原体的免疫应答之外，这些微生物群落还可以直接与病原体竞争并将其排除于体外。

这种依赖于微生物的“定植抗性”对人类健康至关重要。此外，抗生素引起的微生物组损伤可能会导致耐药菌的扩张。总的来说，这些耐药菌每年会在世界范围内造成 70 万人死亡。因此，亟需研发能够维持或增强定植抗性的疗法。

与免疫系统一样，微生物组也是高度动态的，随着我们年龄的增长，微生物组的组成和功能逐渐成熟，部分原因是微生物组、饮食和免疫系统之间存在有益的相互作用。

毫无疑问，干扰会影响微生物组的成熟。例如，病原体可以重塑感染部位的微生物群落，并获得不可发酵的底物，从而压制并超越原有微生物组。

但是，不论感染对微生物组潜在的长期影响以及影响频率如何，定植抗性最常出现在人工 SPF 环境中饲养的实验室小鼠身上，这就引发了一个疑问：病原体是如何影响微生物组对后续感染的抗性的呢？

一种假设是宿主和它们的内源性微生物组共同进化，并可以利用病原体引发的干扰为自己带来益处。在美国国立卫生研究院（NIH）Y. Belkaid实验室进行博士后工作时，我尝试验证了这一假设。

我们发现，与免疫系统一样，微生物组对病原体的抗性也是可以被训练的。从机制上讲，这种“微生物组记忆”是宿主用含硫氨基酸——牛磺酸，滋养微生物组的结果：微生物组将牛磺酸转化为硫化氢，这是一种抑制病原体呼吸的有毒气体。

我们还发现，牛磺酸可以被用来定向改造微生物组。因此，我们对“感染如何改变定殖抗性”的探索揭示了一种让微生物组发挥免疫作用的策略。

为了评估此前发生的感染会如何影响定植抗性，我们使用了两种互补的小鼠模型：（1）携带野生型微生物组的小鼠，它们比实验室小鼠经历过更多的感染；（2）短暂感染食源性病原体的小鼠。

与我们的假设一致，两种小鼠模型均对耐药菌——肺炎克雷伯菌的肠道感染表现出了更强的微生物组依赖的定植抗性。

通过对肠道微生物组的组成和功能潜力进行测序分析，我们发现在这两个小鼠模型中，降解代谢产物牛磺酸的微生物类群出现了富集。与这些微生物类群增多所预测的一致的是，代谢谱分析证实了牛磺酸确实会在感染后的小鼠肠道中出现富集。

在肠道中，牛磺酸经常会与胆汁酸（一种肝脏合成的有助于消化的代谢产物）结合。进一步的代谢物分析显示，在短暂感染的小鼠中，牛磺酸结合的胆汁酸也出现了富集，这说明结合牛磺酸的胆汁酸可能是导致牛磺酸升高的来源之一。

这些结果共同支持了一个模型：在应对感染时，宿主通过胆汁酸向微生物组提供牛磺酸，从而促进可降解牛磺酸的微生物，进而增强机体对后续感染的抗性。

这一模型又引发了我们的思考：如果先前没有被感染过，单靠牛磺酸是否就足以增强定植抗性？与我们的预测一致，给小鼠补充牛磺酸，增强了其微生物组对肺炎克雷伯菌和啮齿枸橼酸杆菌（小鼠致病性大肠杆菌）的抗性。

为了深入了解牛磺酸是如何增强定植抗性的，我们对补充牛磺酸的小鼠的肠道微生物组进行了功能分析，发现牛磺酸可显著诱导异化型亚硫酸盐还原酶（DSR，催化牛磺酸降解反应中的一个关键步骤）。

DSR 催化反应的主要副产物之一是硫化氢，我们发现给小鼠补充牛磺酸，可显著提高微生物组释放的硫化物水平。这些结果表明，由牛磺酸而来的硫化物，在增强定植抗性方面起着重要的作用。

为了进一步阐明牛磺酸是如何增强定植抗性的，我们对经历短暂感染小鼠中的肺炎克雷伯菌进行了高通量转座子突变筛选，发现这些小鼠阻断了肺炎克雷伯菌的有氧呼吸。因为有氧呼吸是硫化物的主要靶点之一，所以我们推断牛磺酸衍生的硫化物，而不是牛磺酸本身，直接介导了定植抵抗。

支持上述这一假设的另一证据是，如果诱导肺炎克雷伯菌突变为不能进行有氧呼吸的同源突变体，再去感染小鼠，那补充牛磺酸也不能抵御同源突变体的侵袭。

补充牛磺酸可提高硫化物的水平，从而增强定植抗性，那么耗尽硫化物是否会损害定植抗性呢？我们用铋剂（一种硫化物螯合剂）处理小鼠，正如预期的那样，这些小鼠变得对肺炎克雷伯菌高度敏感，证实了我们假设——硫化物具有限制病原体的作用。

尽管在治疗人类疾病方面，微生物组研究很有前景，但目前仍缺乏一些行之有效的定向调控微生物组的疗法。在我最近的工作中，一个关键的启示是，我们可以挖掘宿主调控微生物组的机制。

通过对上述机制的探究，我们发现牛磺酸，一种宿主来源的可“训练”微生物组的代谢物，可以被开发用于对抗感染。

因为牛磺酸利用的是微生物组原有的保护功能（硫化物的产生），如果将类似的基于代谢物的方法应用于人类，可能可以克服阻碍益生菌疗法的障碍，因为益生菌疗法的成功依赖于向内源微生物组引入一个外源微生物群落。

随之而来的另一个问题是：通过使用牛磺酸或其他代谢物，微生物组的“训练”是否可发生于肠道以外的身体部位。期待更多的研究，能够阐明这一问题。

Irina Leonardi

在苏黎世联邦理工学院获得本科学位，在苏黎世大学获得博士学位，随后在威尔康奈尔医学院 Iliyen Iliev 博士的实验室做博士后。目前她是纽约 Immunai 公司的科学交流负责人。

超越细菌，超越肠道

肠道菌群被认为与多种疾病的发展有关。虽然对菌群的研究主要集中在细菌上，但哺乳动物的肠道中还生活着多种真菌、病毒和古菌。

最近关于宿主和肠道真菌间互作的研究，揭示了一系列令人振奋的发现。对真菌菌群的测序结果揭示了在不同的条件下肠道真菌群落组成会发生显著变化。这些变化不仅发生在直接影响肠道的疾病中，也发生在肠外疾病中，如 I 型糖尿病和自闭症谱系障碍。

我们和其他专家进一步研究了真菌菌群组成和治疗反应之间的关系。

长期以来，粪菌移植（FMT）一直被用于治疗肠道艰难梭菌感染（CDIs）。这类患者的肠道菌群以艰难梭菌为主，并且研究表明，高丰度的肠道共生真菌念珠菌属与 FMT 治疗结果不佳相关。那么，在其他疾病中，念珠菌属是否也与 FMT 的不良治疗结果相关？

在一项多中心合作的研究中，我们对因溃疡性结肠炎（UC）而接受 FMT 治疗的患者的真菌菌群进行了特征分析。我们对患者真菌菌群的分析报告显示，那些念珠菌水平高的患者更有可能从 FMT 治疗中受益。

此外，我们注意到疾病的改善与 FMT 治疗后念珠菌数量的减少有关。这些发现表明，仔细分析个体的真菌菌群组成或有助于确定更有可能从 FMT 治疗中受益的患者亚群，尤其是考虑到真菌菌群对人类宿主的影响高度依赖于环境。

菌群组成、治疗方案、饮食和遗传背景等多种因素都可能会影响肠道菌群的作用。还原论可以帮助我们确定影响真菌菌群效应的因素，并促进靶向治疗方法的开发。

我们建立了小鼠模型来帮助我们发现肠道中真菌的识别机制，并揭示了真菌菌群可以对免疫系统产生局部和整体的影响。

当前大多研究都通过来自粪便的测序结果来表征真菌菌群，这一方法阻碍了我们评估肠道真菌定植对人类健康影响的能力，因为这种方法无法良好地反映胃肠道细菌群落的复杂性。

因此，我们决定通过对真菌核糖体 DNA 高度可变区进行二代测序来表征胃肠道真菌群的空间生物地理学特征。我们发现，在肠腔内自由漂浮的真菌群落和那些与肠黏膜密切相关的真菌群落之间存在着明显的区别。这一发现让我们想知道与肠腔和黏膜相关的真菌是否会对其宿主产生不同的影响。

为了解决这一问题，我们在野生型小鼠中定植了两类人工组合的菌群（使用不同位置的代表性真菌），并在局部和整体水平上表征了肠道定植诱导的免疫反应。

产生 TH17 的 T 辅助细胞在抗真菌免疫反应中发挥着关键作用。我们的分析表明，只有与黏膜密切相关的真菌可以诱导强烈的局部和整体的 TH17 反应，这与之前的研究结果一致，之前的研究表明细菌对肠道上皮的黏附是 TH17 反应激活的必要条件。

进一步的分析揭示了诱导反应中存在的细微的位点特异性差异：局部反应的特征是产生细胞因子 IL-17A、IL-17F 和 IL-22，而整体反应以 IL-17A 为主。

接下来，我们研究了这些不同的免疫反应在局部和整体水平上的功能相关性。我们发现，与黏膜相关的真菌而非腔内相关的真菌的肠道定植可以保护小鼠免受肠道损伤。

细胞因子 IL-22 和 IL-17 在肠道上皮细胞的维持和修复中起着关键作用。通过使用缺乏 IL-22 或 IL-17A 的小鼠，我们证明了黏膜相关的真菌发挥保护作用需要 TH17 细胞产生 IL-22， 而非 IL-17A。

在测试了真菌在肠道黏膜中的一些局部效应后，我们接下来将注意力转向它们的整体性效果。此前的研究揭示了菌群-肠-脑轴，受此启发，我们想知道真菌是否可能发挥类似的作用。

我们对探索肠道菌群失调和自闭症谱系障碍之间的联系特别感兴趣。我们对野生型小鼠进行了行为表型分析，发现与黏膜相关真菌的肠道定植改善了小鼠的社会行为。

我们猜测 IL-17A，一种已知具有神经调节作用的细胞因子，可能在其中发挥着作用。我们使用了特异性破坏神经元中的 IL-17 受体信号的转基因小鼠模型，并证明神经元对 IL-17 的感知介导了黏膜相关真菌对社会行为的影响。这些结果表明，黏膜相关真菌可以通过肠-脑轴影响其宿主。

总的来说，我们的研究结果揭示了黏膜相关真菌对肠道屏障的完整性和对宿主行为的神经免疫调节的双重效应。

虽然在不同的疾病中都观察到了真菌菌群的失调，但仍然缺乏因果证据。识别由真菌定植肠黏膜引起的不同反应是了解真菌菌群失调的后果的重要一步。我们现在的工作重点是了解驱动肠道真菌的位点特异性反应机制，并揭示它们在这些疾病的发病机制中的作用。

第一部分：从细菌到β细胞

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6051

作者｜Jennifer Hampton Hill

编译｜何小鹿

第二部分：“追忆”感染

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6054

作者｜Apollo Stacy

编译｜Jessica

第三部分：超越细菌，超越肠道

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6056

作者｜Irina Leonardi

编译｜szq

审校｜617

编辑｜豫小鱼

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