【LorMe周刊】结肠炎期间铁载体的共享增强多形拟杆菌的复原力
导读
在肠道环境经历短暂的环境波动时，肠道微生物表现出一定的“弹性”能够保持原有的菌群组织。结肠炎期间微生物可利用的铁含量降低，病原体可以利用铁载体获取铁，然而，与人类共生的多形拟杆菌不产生铁载体，却可以使用肠道细菌产生的铁载体在铁限制条件下生长。利用RNA测序，本文确定多形拟杆菌在沙门氏菌引发的肠道炎症期间上调涉及铁吸收的基因。xusABC基因座（BT2063-2065）突变体无法利用其它细菌的铁载体来摄取铁，在正常小鼠肠道中，xusABC系统是可有可无的，而结肠炎期间xusA突变体的定殖能力很弱。作者认为盗用铁载体是多形拟杆菌在炎症期间维持定殖能力的关键，并提出种间铁代谢有助于维持肠道菌群弹性机制。
图1 S.Tm感染后多形拟杆菌转录组的变化
多形拟杆菌利用血红素中的铁生长，但不可产生任何已知的铁载体，因此在补充铁螯合剂BPS的介质中生长受抑制，而S. Tm可产生两种儿茶酚铁载体，Enterobactin和Salmochelin来应对缺铁环境（图2A）。一些细菌物种不产生铁载体，而是利用其他微生物产生的铁载体获取铁，这种行为被称为盗用铁载体，在补充铁螯合剂BPS的介质中加入Enterobactin或Salmochelin可恢复多形拟杆菌的生长缺陷（图2B）。表明多形拟杆菌可盗用铁载体来获取铁。接着作者又从小鼠肠道中分离其他拟杆菌属细菌，在限铁培养介质中，Enterobactin或Salmochelin不同程度的恢复了其生长缺陷（图2C）。
图2 体外实验中拟杆菌对肠道细菌铁载体的利用
接下来，作者试图确定多形拟杆菌利用肠道细菌铁载体摄取铁的遗传要求，铁载体的摄取在革兰氏阴性细菌中通常涉及外膜的TonB受体和周质中的ABC转运体，传送铁载体进入细胞质。在转录组分析中，作者确定了几个基因的表达可能涉及铁摄取或TonB受体组成。在Enterobactin或Salmochelin的存在时，野生型菌株比缺乏BT2063-2065基因座的突变体生长更快。作者将该基因座的基因重新命名为xusABC（图3A），铁限制性条件下，野生型和突变株的生长受到限制，预测xusA基因编码的TonB依赖性受体可更直接地控制铁摄取，Enterobactin或Salmochelin恢复了xusA互补突变体（xusA xusA+）的生长缺陷（图3B）。然后，作者使用ICP-MS来测量细胞铁水平（图3C）发现补充Enterobactin显著增加了野生多形拟杆菌的铁含量，而无法增加xusA突变体细胞铁含量，表明Enterobactin介导的铁摄取需要xusA的参与。
图3 体外试验中多形拟杆菌操纵子xusABC盗用铁载体中的作用
接下来，作者测量了感染期间肠道中总铁和可螯合铁含量，结果显示两种铁含量在感染S. Tm期间均显著减少(图4A)，表明在感染S. Tm期间铁元素确实受到限制。然后作者研究多形拟杆菌是否需要盗用铁载体在哺乳动物肠道定殖，首先使用抗生素预处理，便于接入野生多形拟杆菌和xusA突变体的定殖，后接入S. Tm（图4B），未感染S. Tm时多形拟杆菌野生型和xusA突变体表现出相似的适应度水平(图4C)，而在感染S. Tm期间多形拟杆菌野生型菌株比xusA突变体高出三个数量级以上。为了更直接地验证盗用铁载体有助于结肠炎期间多形拟杆菌定殖的观点，作者对两组经抗生素预处理的小鼠先接入多形拟杆菌野生型菌株、xusA突变体或xusA 互补突变体(xusA xusA+)后接入S. Tm (图4D)，在未感染条件下，野生型菌株、xusA突变体或xusA 互补突变体显示出相似的含量，而在感染S. Tm期间xusA突变体含量显著低于野生型，xusA 互补突变体恢复了定殖能力（图4E）。感染期间S. Tm含量没有显著差异（图4F）。
图4 小鼠感染S. Tm期间xusABC基因对多形拟杆菌的定殖影响
图5 肠道细菌铁载体对多形拟杆菌在S. Tm感染期间的适应度影响
图6 . 肠道细菌铁载体对其他拟杆菌在S. Tm感染期间肠道适应度的影响
最后，作者研究多形拟杆菌对共生大肠杆菌铁载体的盗用是否也发生在非感染性结肠炎环境中，一组接入了Nissle 1917 entB（Group1），一组接入了Nissle 1917（Group2），进行多形拟杆菌野生型和xusA突变体的竞争定殖实验（图7A）整个过程给小鼠服用药物来制造人工炎症。Nissle 1917和Nissle 1917 entB显示出了相似的定殖水平（图7B），表明Nissle 1917可能依赖其他途径摄取铁。而xusABC系统仅在被Nissle 1917野生型菌株定殖的小鼠中显示出了适应度优势(图7C)，这个实验证明了多形拟杆菌对共生菌的铁载体盗用发生在发炎肠道中。
图7. 肠道细菌铁载体在非感染性结肠炎中对多形拟杆菌适合度的贡献
复原力是炎症性反应中肠道微生物群落的一个重要特征。拟杆菌在哺乳动物体内的微生物群落中非常丰富，并对人类健康发挥着重要作用，一个更具弹性的微生物群落能使宿主能够更快从病原菌侵染导致的宿主炎症反应中恢复，这似乎是合理的。作者的数据表明，额外的铁吸收策略可能有助于Nissle 1917发挥益生菌的潜力。通过生产铁载体供拟杆菌使用，Nissle 1917在炎症反应期间通过增强共生拟杆菌定殖，从而增加微生物群落的复原力。反过来，增加共生定殖可能有助于病原体清除。
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