Nature Reviews Microbiology | 口腔微生物群：动态群落和宿主的相互作用（完整版）

Abstract

The dynamic and polymicrobial oral microbiome is a direct precursor of diseases such as dental caries and periodontitis, two of the most prevalent microbially induced disorders worldwide. Distinct microenvironments at oral barriers harbour unique microbial communities, which are regulated through sophisticated signalling systems and by host and environmental factors. The collective function of microbial communities is a major driver of homeostasis or dysbiosis and ultimately health or disease. Despite different aetiologies, periodontitis and caries are each driven by a feedforward loop between the microbiota and host factors (inflammation and dietary sugars, respectively) that favours the emergence and persistence of dysbiosis. In this review, we discuss current knowledge and emerging mechanisms governing oral polymicrobial synergy and dysbiosis that have both enhanced our understanding of pathogenic mechanisms and aided the design of innovative therapeutic approaches for oral diseases.

01

微生物群在不同口腔栖息地定植的生物地理学

微生物可以在口腔的各种可用的表面发生定植，同时也能够穿过上皮组织和细胞。微生物群可以在非生物和生物表面聚合形成菌膜 (biofilm) 群落。在健康人中（左），健康的菌膜与宿主维持着稳态平衡。在患者中（右），当菌膜生态失调时，龋齿和牙周炎随之发生，进而分别导致持续的低 PH 环境和破坏性炎症反应的发生。

TIPs：

biofilm：菌膜，也称作生物薄膜或菌膜，是一些微生物细胞由自身产生的胞外多聚物基质（主要为多糖）所包围而形成，且附着在浸有液体的惰性或生物表面的，具有结构的群落。

Intact enamel：完整的牙釉质。牙釉质，也称为珐琅质，是牙齿最外层的组织，为哺乳动物体内最坚硬的组织，内部并不具神经与血管，不可再生。

Supragingival eubiotic biofilm：龈上健康的菌膜。 

Gingival crevice：牙龈缝隙。

Caries：龋齿。

Demineralized enamel leading to cavitation：牙釉质脱钙，导致出现空洞。

Supragingival dysbiotic biofilm：龈上生态失调的菌膜

EPS, extracellular polymeric substance：细胞外聚合物

EPS matrix and acidogenic– aciduric environment：细胞外聚合物质基质和产酸 - 耐酸环境

Periodontitis：牙周炎

Periodontal pocket, attachment loss：牙周袋，附着丧失。牙周袋是病理性加深的龈沟，是牙周炎最重要的临床表现之一，附着丧失是牙周支持组织破坏的结果，是区别牙龈炎和牙周炎的一个重要标志。

GCF, gingival crevicular fluid：龈沟液

02

细菌物种之间的相互作用影响致病性

口腔微生物群可以在不同的时间和空间通过多种途径发生相互作用。

格氏链球菌 (Streptococcus gordonii) 和副血链球菌 (Streptococcus parasanguinis) 产生过氧化氢，导致伴放线聚集杆菌 (Aggregatibacter actinomycetemcomitans, 以下简称 A.a ) 激活 OxyR 转录调控因子，使得 apiA 和 katA 的转录水平升高。ApiA 表面蛋白能够增加补体抗性 (complement resistance)，并且可能诱导细胞内的侵袭和促炎细胞因子的产生。KatA（一种过氧化氢酶）降解链球菌 (streptococci) 和中性粒细胞产生的过氧化氢，从而保护 A.a 免受氧化损伤[1-5]。 OxyR 还可以调节分散素 B (DspB) 的产生，分散素 B 是一种酶，能够降解菌膜基质并且促进 A.a 扩散[6]。过氧化氢增加了氧气的生物利用度，使得 A.a 从主要是发酵性代谢转变为呼吸性代谢，这种相互作用被称为交互呼吸 (cross respiration)[7]。呼吸代谢增强了 A.a 在体内的生长和适应性。链球菌乳酸可以由质子驱动的乳酸通透酶 (LctP) 转运到 A.a  中，随后在乳酸脱氢酶 (LctD) 作用下进一步转化为丙酮酸。丙酮酸抑制 E1 的自身磷酸化，进而减少 A.a  对磷酸转移酶系统 (PTS) 碳水化合物如葡萄糖的摄取[4]。在其他能够更加有效代谢葡萄糖的生物体存在的情况下，A.a  通过这种碳源 (carbon resource) 分配优先利用乳酸增加了竞争优势。A.a  的 Fur 转录调节因子因为铁元素缺少 (iron limitation) 诱导编码 DspB 的基因的上调，从而将 A.a 从菌膜释放[8]。在发生氧化应激和铁元素缺少的情况下， A.a 的 DspB 的活性发生改变，进而改变 A.a 的位置。此外，在体内，A.a  会在具有协同毒力 (synergistically virulent) 的群落中与链球菌保持最佳距离[6]。

TIPs：

Aggregatibacter actinomycetemcomitans 是一种在局部侵袭性牙周炎的关键病原体;

Streptococcus gordonii 和 Streptococcus parasanguinis 是 A. actinomycetemcomitans 的辅助病原菌[1-2,6];

OxyR：过氧化氢诱导基因的调节因子;

Fermentation: 发酵，在没有氧气的情况下消耗糖的代谢过程；

cross respiration：与交互共生的概念类似（cross-feeding，是一种物种靠另一物种的产物生存的现象），指共生细菌还可以提供电子受体，促进体内病原体的呼吸生长和适应性[7];

phosphotransferase system (PTS)：磷酸转移酶系统.

03

影响致病性的细菌物种之间的相互作用

口腔微生物群可以在不同的时间和空间通过多种途径发生相互作用。

b | 牙龈卟啉单胞菌 (Porphyromonas gingivalis) 和格氏链球菌 (S. gordonii) 之间的两种相互作用机制，一种是通过代谢物（4-氨基苯甲酸，pABA）感知（左图），另一种是通过直接接触（右图）。由格氏链球菌分泌的 pABA 使牙龈卟啉单胞菌的酪氨酸磷酸酶 Ltp1 失活。酪氨酸激酶 Ptk1 的去磷酸化和失活因此减少。Ptk1 磷酸化并使转录因子 CdhR 失活，CdhR 是 mfa1 基因的抑制剂。Ptk1 活性也会收敛于 (converges on)  fimA 基因的表达。在该种模式下，两种菌毛粘附素的表达的增加有助于牙龈卟啉单胞菌附着于格氏链球菌，但是致病性并不高，动物模型中表明 pABA 诱导的牙龈卟啉单胞菌的致病性较低。Mfa1 与链球菌 SspA 或 SspB 表面蛋白的结合能够增加 Ltp1 并且可以逆转 Ltp1-Ptk1 轴的信号传导。此外，Mfa1-SspA / SspB 结合能够抑制分支酸结合酶（Cbe）的表达，Cbe 负责 pABA 的产生。牙龈卟啉单胞菌和格氏链球菌之间长时间的物理相互作用导致致病性增加，在动物模型中，与单独的牙龈卟啉单胞菌感染相比，两种细菌的双重感染导致更多的牙槽骨损失[1-6]。

c |  嵴链球菌 (Streptococcus cristatus) 精氨酸脱亚胺酶 (ArcA) 与牙龈卟啉单胞菌表面蛋白RagB 相互作用。信号传导导致编码 FimA 和 Mfa1 组分菌毛以及精氨酸特异性 ( RgpA 或 RgpB ) 和赖氨酸特异性 (Kgp) 牙龈蛋白酶 (gingipain proteinases) 的基因下调，因此减少了粘附，菌膜形成，上皮细胞侵袭和细胞因子的降解，从而抑制了致病性[7-9]。

TIPs：

牙龈卟啉 单 胞 菌 有 两 种 菌 毛 ， 一 种 数 量 多 的 菌 毛 较 长 (Fim)，而另一种数量少的菌毛较短 (Mfa)， 分别由 fimA 和 mfa1 基因表达[10]。

04

饮食 - 微生物群相互作用引发致龋齿的菌膜微环境形成

在牙齿表面的口腔微生物群落形成过程中，具有快速附着能力的微生物物种最先开始定植，随后初始定植者能够与后来的定植者粘附在一块儿建立联系，接着微生物们能够通过物理接触或者代谢物发生相互作用，逐渐形成最初的菌膜群落。这些相互作用包括拮抗作用和协同作用，而且会随着宿主饮食和其他因素如唾液功能障碍，暴露于氟化物和口腔卫生而动态变化。特别地，膳食蔗糖为细胞外多糖的产生和产酸微生物的有机酸合成提供了底物。细胞外基质还含有其他生物分子（细胞外DNA（eDNA）和细菌或宿主衍生的蛋白质），为空间组织，机械附着 (coherence)和细菌间的相互作用提供了多功能支架。基质可以捕获或隔离物质，这些物质与扩散-修饰特性相结合，可以产生各种化学性的具有保护作用的微环境。因此，菌膜能够持久地粘附在牙齿表面上并且抵抗某些抗菌作用。变形链球菌 (Streptococcus mutans) 作为细胞外聚合物(EPS)-基质生产者，产酸菌和耐酸性生物具有关键的致病作用。随着频繁地摄入膳食中的糖分，细菌持续代谢碳水化合物和唾液缓冲系统变得不易接触导致基质内的微环境的酸性持续增加。同时因为菌膜的累积，微环境也逐渐变为厌氧环境（缺氧）。此外， 微生物多样性因为耐酸性微生物群占优势而降低。如果不去除菌膜，则牙齿-菌膜界面处持续的低 pH 环境将会使健康状态下的脱矿质-再矿化平衡转变为牙釉质的净矿物质损失，从而导致龋齿病变的发展。 

05

微生物群生态失调和炎症之间促进双方之间的相互作用驱动慢性牙周炎

关键病原体（例如 牙龈卟啉单胞菌, Porphyromonas gingivalis）在辅助病原体（例如 格氏链球菌, Streptococcus gordonii）的帮助下发生定植，导致宿主固有防御系统受损和炎症发展（例如，通过破坏中性粒细胞和其他骨髓细胞中的补体—Toll 样受体(TLR) 串扰(crosstalk) ）[1-4] 这些改变促进了微生物生态失调的发生（牙周微生物群在数量和组成上发生改变）。炎症组织遭到破坏后，龈沟液（GCF）的流量增加，导致降解的胶原蛋白和含有血红素的化合物带入牙龈缝隙。具有铁获取能力的蛋白水解 (proteolytic) 细菌和酵解糖 (asaccharolytic) 细菌（病原菌）能够选择性地利用这些化合物分子。相比之下，与健康相关的 (eubiotic) 物种无法利用新的环境条件从而在与病原菌的竞争中失败。这种不平衡会导致微生物群的生态失调，进一步加剧炎症，最终导致易感个体的牙周炎。炎症和微生物群的生态失调在自我持续的正反馈循环中促进双方之间的相互作用可能导致牙周炎的慢性发展。

06

牙龈卟啉单胞菌通过同时损害宿主固有防御系统和促进吞噬细胞中的炎症反应诱导生态失调

牙龈卟啉单胞菌因此可以在吞噬细胞如中性粒细胞（neutrophils）和巨噬细胞（macrophages）中同时激活 C5aR1 和 TLR2 。牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）表达细胞表面分子，激活 Toll 样受体 2 - Toll 样受体 1（TLR1-TLR2）复合物并分泌作用于补体成分 C5 的酶（HRgpA和RgpB gingipains），以产生局部高浓度的 C5a，C5a 是补体 C5a 受体 1（C5aR1）的配体。在中性粒细胞和巨噬细胞这两种骨髓细胞类型中，牙龈卟啉单胞菌可以避开 MyD88，从而防止相关的杀菌作用[1,2]。在中性粒细胞中，MyD88 的失活和 E3 泛素连接酶 SMURF1的泛素化和随后的蛋白酶体降解有关。虽然牙龈卟啉单胞菌阻断了 MyD88 依赖的炎症，但是它在中性粒细胞和巨噬细胞中却能够诱导 PI3K 依赖的炎症细胞因子。牙龈卟啉单胞菌诱导的 PI3K 活化能够抑制两种细胞的吞噬作用 [1,3]。在中性粒细胞中， PI3K 可以抑制 RhoA GTP酶 （RhoA GTPase） 和肌动蛋白聚合从而阻止吞噬作用的发生 [1]。有意思的是，即使吞噬牙龈卟啉单胞菌被巨噬细胞吞噬，PI3K 信号也能够抑制了巨噬细胞内的吞噬 - 溶酶体成熟，从而阻止了病原体的破坏 [3]。这些事件会损害宿主的固有免疫力并促进炎症，从而导致炎症性疾病的选择性扩张。与之相反，在小鼠实验中抑制 C5aR1，TLR2 或 PI3K 可以逆转失调的炎症和牙周炎[1,4]。

TIPs：

Ubiquitination: 泛素化  

Proteasomal degradation: 蛋白酶体降解 

Phagolysosome: 吞噬溶酶体 

07

局部趋化因子失效

口腔致病菌如核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）被上皮细胞表面上的 Toll 样受体（TLR）识别，导致促炎信号传导途径的激活。关键病原体牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）可以调节这些途径，并有针对性地精确减少特定趋化因子的产生。牙龈卟啉单胞菌通过使 STAT1 失活导致 CXCL10 的表达降低，CXCL10  受到 IRF1 转录因子的控制[1]。在细胞内，牙龈卟啉单胞菌分泌SerB，Serb 是一种丝氨酸磷酸酶，能够特异性地使 p65 NF-κB亚基的丝氨酸536 残基去磷酸化，从而抑制NF-κB-p65同型二聚体的形成和核转位。因此 IL8 基因的转录减少，IL-8 中性粒细胞梯度（gradient）被破坏[2]。这些致使趋化因子失效的作用发生在与牙龈卟啉单胞菌相邻或含有牙龈卟啉单胞菌的组织中。宿主细胞信号传导途径的连续重新校准限制了该类作用的时间范围，这可能是牙周组织破坏周期性出现的原因。

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