Gordon文章：1功能微生物组研究典范—采用甘露糖苷选择性抑制尿路致病性大肠杆菌

原创 2017-07-28 刘永鑫 宏基因组

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《Selective depletion of uropathogenic E. coli from the gut by a FimH antagonist 》是Jeffery I. Gordon组2017年6月22日Nature上发表的新作品。

Jeffery Gordon组来自于美国圣路易斯的华盛顿大学医学院。要説它有多牛，那一定是准诺奖级别的人物。要説他的研究有多前沿，他们团队一年可以把CNS发个遍。

这么牛的人，如果是本领域专业人士就必须知道，他的文章历史达20年之久，够我读上半年。因为此的文章在本公众号会自成一个系列，精读学习。关于Gordon组的详细介绍，自己多看看Gordon的实验室主页吧：https://gordonlab.wustl.edu/
读此组研究方向，定可把握微生物组的最前沿。

摘要

背景：每年有150万人由尿路致病性(致肾盂肾炎)大肠杆菌(UPEC)引起尿路感染(UTIs)。虽然抗生素治疗很有效，但30-50%的病人会复发UTIs。而且近年来连续抗生素(碳青霉烯类、粘菌素)的使用，也使UPEC产生了多种抗药性。UPEC在肠道里定殖，可通过粪便传播，可定殖在尿路周围或阴道，并通过尿道传染致尿路，引起UTIs。
UPEC分离菌株编码16种不同的伴侣引导途径菌毛蛋白，每种不同的菌毛类型可使细菌定殖在一种宿主或环境；例如： 1类菌毛——黏附素FimH结合膀胱表面的甘露糖，介导UPEC在膀胱中的定殖。然而，UPEC在肠道中定殖的机制还知之甚少。

结果：小鼠模型中发现，F17样菌毛及1类菌毛促进UPEC在肠道中定殖，前者与肠道致病菌的菌毛类型相似，表示特异地结合结肠内窝表皮细胞。进化基因组和结构分析F17样菌毛序列表明与肠内致病菌非常相近，但只在肠道外的致病性大肠杆菌中存在。此外，利用M4284(一种高亲和力的抑制性甘露糖苷)靶向FimH，可减少UPEC菌株在肠道定殖的种类(遗传多样性)，同时可治疗尿路感染，并且不影响肠道菌群结构。甘露糖苷可选择性抑制UPEC在肠道内的定殖，显著的减少UTI的发生率和复发率。

图1. I型F17样菌毛促进UPEC在肠内定殖

a-k, C3H/HeN基因型小鼠用链霉素预处理，共发生或接连定殖野生型UTI89(k)和/或突变体(a. yfc, b. yeh, c. yad, d. pap, e. sfa, f. yqi, g. mat, h. fim, i. ucl, j. fim & ucl)。
l, m, 纯化粘附外源凝集素结构域FimH和UclD，并测试与小鼠结肠结合；切片采用Hoechst(蓝)染色，和粘液相关糖蛋白Muc2(绿)抗体。
n, UclD与五种常见单糖不结合。

图2. UcLD结构

a. UcLD, F17G和两者重合结构比较；
b. 比较两者表面的残基和静电表面潜能；
c. 序列比较两者的结构区域。

图3. 甘露糖苷可以减少UPEC，并治疗UTI。

a. 口服M4284后在粪便中浓度随时间变化；
b. C3H/HeN基因型小鼠定殖UTI89，给予3个单位的的M4284；
c/d. UT189粪便和肠内的水平；
e. UT189接种于小鼠过程；
f, g. 检测实验和对照组的菌浓度；

图4. 甘露糖苷在不同遗传背景下特异靶向UPEC，而对微生物群影响很小

a, 比较不同组微生物组Unweighted Unifrac 距离；
b-f, 小鼠喂不同UPEC菌株，并甘露糖苷治疗观察效果；
g, h, 评估甘露糖苷靶向能力。

文章的主体思路

发现菌毛是致病菌肠道定殖的决定因素；
对菌毛的结构研究，用于筛选靶向药物(一般采用分子动力学模拟，再确定候选小分子进行实验筛选)；
对筛选到的阳性化合物进行详细药理、毒理和药价评价；
扩大遗传背景，研究药物的是否有副作用，主要关注是否对目标菌有特异性，对菌群整体有无影响。

Nature的文章附录还有无数的图表，工作量大的惊人，即使非常有基础的实验室重复上述实验也不是一年半载可以完成的。

总结

大牛的文章，围绕着大科学问题展开，文章中很少关注技术分析和结果的多角度解读，而是更高层面的思考和科学问题的逐层解答。

看看一般10分左右的文章(如Microbiome中的文章，大部分工作量就是Nature中的一个图)，就知道和他们的差距了。There is still a long way.

Reference

Selective depletion of uropathogenic E. coli from the gut by a FimH antagonist DOI: 10.1038/nature22972
Nature：在肠道中选择性清除致病大肠杆菌（重磅）http://www.xunludkp.com/papers/read/1058090408?kf=mobile.search
https://gordonlab.wustl.edu/