编译：胜寒，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
大约有1万亿个细菌存在于人类中，并以可扩散的小分子对环境做出反应。其中一些分子还会影响它们的人类宿主或邻近的微生物。有许多研究将细菌种群或细菌种群的变化与健康或疾病联系起来，但只有很少的分子和机制被确定为这些联系的基础。本文将介绍了两种系统的方法来识别这些细菌产生的分子及其相关功能。
原名：Molecular messages in human microbiota
期刊：Science
IF：41.058
发表时间：2019.12
通讯作者：Matthew T. Henke
Sugimoto等人描述了如何对微生物群落的集合基因进行元基因组的生物信息学分析，从而揭示未知的可能起抗生素作用的细菌代谢物。Guo等人描述了一种基于CRISPR-Cas9的方法，该方法能够可靠地构建无需进行标记的不产生特定代谢物分子的细菌突变体，揭示了已知细菌代谢物影响人类免疫反应的能力。
研究人员可以从细菌基因组和越来越多的宏基因组中获取数量惊人的DNA序列数据。这些数据可以揭示肠道微生物群的生物合成潜力。从这个意义上说，人类微生物组的研究大致处于2003年人类基因组计划所达到的阶段，该阶段人类对基因组有了很好的了解。但是，在人体内发现的数百种不同的细菌中，基因的分布要比这多100倍。要弄清楚哪些细菌在传递什么样的分子信息，这些信息是发给谁的，是一项极其复杂的任务。这些细菌产生的分子可以被寄主或环境中的其他微生物吸收。文中提到的两项研究都以不同的方式对此发出了挑战。Sugimoto等人描述了可能存在于细菌之间的分子信息，并通过寻找与已知抗生素相关的生物合成基因簇发现了这些代谢物。Guo等人试图将宿主功能分配给已知微生物产生的代谢物。这两种方法都需要操纵细菌基因的能力，而机械性微生物研究的最大障碍是几乎所有人类肠道微生物群成员都缺乏广泛适用的遗传工具。删除一个基因的能力，重新引入一个基因的能力，或者赋予另一个有机体一个被提议的基因的作用的能力，对于严格的研究是必不可少的。包括Guo等人在内的几个研究小组已经开发出了适用于微生物群子集的工具;Guo等人的方法对梭状芽胞杆菌属很有前景，梭状芽胞杆菌属包括艰难梭菌和肉毒杆菌等病原体。尽管为每个个体或感兴趣的细菌群体开发工具箱似乎既繁琐又令人生畏，但这可能是最好的前进道路，因为开发广泛适用的遗传工具一直是很困难的。机械性微生物群落研究的另一个重要障碍是宿主与微生物群落相互作用的复杂性。人类遗传学的差异，个体微生物群的空间组织和时间动态的差异，人与人之间以及不同环境下个体之间微生物群的差异性，以及微生物群中的功能冗余，这些都混淆了单个分子可能发挥的作用。Sugimoto等人扩展了之前的一项研究，该研究对数据库中的完整基因组进行解析，以识别生物合成基因在各个类别中的分布，从而使用尚未归类到单个细菌基因组中的元基因组数据。为了说明这一技术，他们着重于一个广泛分布的通路的一个容易识别的特征，这个通路是在II型聚酮合成酶基因簇中发现的一个重要区域，它产生的药物样分子与脂肪酸具有共同的进化起源。当发现元基因组数据包含这一特征时，作者可以选择性地将相关序列组装成完整的通路。通过这种方式，他们发现了13个以前没有描述过的聚酮生物合成基因簇。研究发现几乎所有的人体内都有至少一个这样的基因簇，不同的基因簇存在于不同的身体部位(即皮肤、肠道、口腔或阴道)，这些基因簇在不同人群中出现的频率不同。当这两个组装的通路分别从口腔微生物和肠道微生物中重组表达时，它们产生了类似于临床使用的抗生素和抗癌药物的分子。他们认为这些分子可能在肠道和口腔的物种间竞争中发挥作用，它们对群落结构的影响可能影响宿主的生物学。至关重要的是，土壤微生物已成为临床使用的小分子药物的宝贵来源;Sugimoto等人的研究结果强调，人类微生物群是一种尚未开发的药物样分子资源。Guo等人开发了一种针对产孢梭菌的CRISPR-Cas9基因编辑系统。产孢梭菌合成大量的几种分子仅由微生物群产生。这些分子在人体内大量存在，表明它们可能影响人类生物学。利用他们的遗传系统，Guo等人中断了8种生物合成途径中的基因，从而产生10种微生物组衍生分子。令人满意的是，中断(敲除)这些途径中的每一个都会消除相应代谢物的产生，而其他代谢物则保持不受干扰。接下来，Guo等人将这些产孢梭菌的野生型和敲除菌株引入到没有其他微生物的无菌小鼠中。这样就可以在保持其他因素不变的情况下，评估单个微生物的单个分子的生理贡献。不出所料，感染了产孢梭菌突变体的小鼠体内相应代谢物的数量减少了。此外，在支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸)到支链短链脂肪酸代谢缺陷的小鼠中，表达免疫球蛋白A (IgA)的细胞数量增加，表达IgA受体的免疫细胞数量增加。IgA是分泌到肠道的主要抗体，尽管IgA在肠道内环境稳定中的确切作用尚不清楚，但IgA的产生和识别的失调可能会影响宿主免疫系统对共生细菌和病原体的反应。Sugimoto和Guo等人的研究取得了重要的研究成果，但需要注意一些事项。虽然Sugimoto等人的研究表明，肠道和口腔微生物群产生的分子与临床使用的药物相似，但他们关注的是II型聚酮，这是已知细菌制造的类药物分子中的一小部分。此外，因为他们寻找已知的、保守的结构域的同源性，他们必然发现了与已经发现的分子非常相似的分子。进一步观察该方法的宏基因组序列数据分析应用于直接通路组装是否胜过组装基因组，然后使用诸如抗生素和次级代谢产物分析（antiSMASH）之类的工具搜索簇，该工具可分析微生物基因组的小分子类药物生物合成潜力。未来的研究有几个途径。一个是基于这样一种认识，即具有相似结构的分子可能没有相似的功能，而筛选分子类似物的文库可能会带来一些惊喜。另一种是改变算法，使含有与已知通路相似的目标基因的通路被拒绝，而不是被选择。从工具的角度看，Guo等人提供了一个适用于产孢梭菌的CRISPR-Cas9系统，该系统可能也适用于其他与产孢梭菌代谢能力不同的梭状芽孢杆菌。他们观察到，在感染了产孢梭菌的单克隆小鼠体内，支化短链脂肪酸可能具有抑制IgA生成的作用，这很有趣，但需要进一步研究这些分子发挥这些作用的机制。特别是，确定这些相同的分子在更传统的微生物群落生态系统中是否具有相同的功能，以及它们是否与人类和小鼠免疫细胞相关的研究是有必要的。人类微生物学研究面临的挑战是，如何将微生物区系及其相关分子的巨大复杂性转化为与人类健康和疾病相关的直观见解。这两项研究描述了有效解析复杂性的策略。更重要的是，他们强调对微生物研究有意义的贡献将越来越依赖于遗传学家、微生物学家、化学家、免疫学家和医生之间的合作。
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