【LorMe周刊】精确工程师：噬菌体调节肠道微生物组和代谢组
作者：王孝芳，南京农业大学博士在读。主要研究噬菌体介导的土传病害防控的生态进化学过程。
周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍噬菌体如何调节肠道微生物组和代谢组。
导读
饮食和抗生素是影响肠道微生物的两种主要方式，但这些治疗方法的扰动过于宽泛，缺乏调控特定肠道菌群所需的精确度。而细菌病毒--噬菌体因其特异性被认为是精确调节肠道微生物组的最佳候选者。近期一篇发表在CellHost & Microbe (IF: 11.62)的研究表明接种噬菌体，不仅直接影响易感细菌，而且通过细菌间的相互作用对其他非宿主细菌产生级联效应。同时代谢组学分析发现噬菌体侵染直接影响了肠道微生物的代谢组。
试验以10株细菌和其中4株细菌专性噬菌体为材料，首先将细菌群落通过喂养方式接种到无菌小鼠的肠道，再间隔接种2组噬菌体（图1A）。同时结合选择性培养基、定量PCR和测序技术，定期监测粪便中细菌和噬菌体种群数量。结果发现噬菌体的存在能够一定程度降低对应宿主细菌的数量（图1B-C）。
图1 试验处理：无菌小鼠不同时间段接种细菌和噬菌体及噬菌体与宿主细菌的种群变化
噬菌体的引入，导致目标细菌数量的急剧下降，同时非宿主细菌的数量也发生变化：如T-4和F1噬菌体降低E.coli和C.sporogenes的数量，其他5个细菌的数量在这一过程被富集（图2）。说明噬菌体通过靶向宿主细菌，而对群落中非宿主微生物群落产生级联效应。
图2 噬菌体对肠道微生物种群数量的影响
为了进一步验证和探究噬菌体在肠道内的动态和级联效应的机制， Hsu等人以一种创新但简单的方法解决了这一问题。分子生物学中，一般利用基因敲除研究特定基因的功能。Hsu等人设计了一个“Dropout”试验，即去掉群落中某一特定物种，研究群落其他物种的种群变化，通过比较全组合和缺失部分物种群落的变化，可以评估该物种在群落中的作用（图3A）。如去除A物种，导致B物种数量降低，说明物种A对B有促进作用，反之则有抑制作用。该研究利用一个独立的试验--接种分别缺少4个细菌的细菌群落，实时监测其他物种定殖的数量变化（图3B-D）。研究结果表明，不同细菌定殖能力对缺失物种的响应不同。
图3 减少细菌物种对微生物群落定殖的影响
基于上述“Drop out”试验中各物种定殖变化的幅度，构建了如图4所示的互作网络。实线表示促进作用，虚线表示抑制作用，线的宽度表示作用强度。通过这样一个可视化的网络总结了4个噬菌体靶定的细菌在群落中的作用，进而说明噬菌体对群落的调节作用。
图4 肠道微生物群落细菌相互作用网络
以上结果说明噬菌体会影响肠道微生物群落的结构，该研究进一步探究了噬菌体对肠道微生物代谢组的影响（图5）。总体而言，噬菌体对肠道代谢的影响是适度的，只有17%的代谢物显著变化。这些初步结果表明噬菌体可以靶向调节肠道代谢组。
图5肠道微生物的代谢组
总结与思考
该工作揭示了噬菌体调控肠道细菌定殖的生态重要性，及对宿主代谢的潜在影响，说明噬菌体可以作为精确编辑微生物组的工具，但仍处于起始阶段。本项研究存在的局限性：1）利用10个细菌构建的细菌群落提供了研究肠道噬菌体介导细菌互作的模型，但有限的微生物多样性与肠道丰富的微生物仍有一定差距；2）该研究中通过“dropout”试验推测的菌株之间的互作关系仍需要进一步验证；3）肠道复杂环境中裂解性噬菌体的侵染作用是否足以影响微生物群落结构和功能仍有待进一步证明。
原文：Dynamic Modulation of the Gut Microbiota and Metabolome by Bacteriophages in a Mouse Model
期刊：Cell Host & Microbe
DOI: 10.1016/j.chom.2019.05.001