溫和噬菌體作用于腸道(dào)微生物失調的理論模型

　　我們對(duì)營養作爲健康和疾病中介的理解大部分是透過(guò)對(duì)飲食和腸道(dào)微生物群之間關系得到的。西方飲食對(duì)腸道(dào)微生物失調的影響衆所周知。這(zhè)一研究構建明顯的缺點就(jiù)是少了對(duì)腸道(dào)病毒體的基本了解，人們很早就(jiù)知道(dào)，病毒帶有抗生素耐藥基因和細菌毒素，誘導臨床相關病原菌的毒性及傳播。越來越多的證據表明腸道(dào)病毒的改變與結直腸癌、炎症性腸病和其他微生物失調狀态相關。腸道(dào)中病毒的作用，是腸道(dào)微生物失調的原因還(hái)是後(hòu)果，目前尚不清楚。
　　01
　　腸道(dào)微生物失調
　　腸道(dào)微生物失調廣泛意義是與宿主疾病或失調相關的腸道(dào)微生物群落組成(chéng)的各種(zhǒng)狀态。在健康的腸道(dào)環境中，腸道(dào)内細菌是非緻病性的。健康的腸道(dào)菌群與宿主是一種(zhǒng)共生關系，其中腸道(dào)細菌在宿主的胃腸環境中茁壯成(chéng)長(cháng)，同時(shí)通過(guò)代謝、免疫系統發(fā)育和免受病原體的侵害爲宿主提供多種(zhǒng)益處。當微生物失調時(shí)，這(zhè)種(zhǒng)共生的動态平衡發(fā)生變化，原本有益的腸道(dào)共生菌可以轉變爲緻病菌。許多臨床疾病的病因都(dōu)與微生物失調有關，如炎症性腸病、非酒精性脂肪肝，動脈粥樣硬化和自閉症。
　　02
　　腸道(dào)病毒
　　腸道(dào)病毒的主要成(chéng)員是噬菌體。腸道(dào)細菌可以通過(guò)16srRNA基因測序，但是這(zhè)種(zhǒng)方法對(duì)于噬菌體是不可能(néng)的，因爲它們缺乏保守的系統演化标記。即使是研究噬菌體的金标準–病毒元基因組學(xué)，也受到缺乏基因組資料庫的限制，無法與未定性噬菌體基因的巨大多樣性進(jìn)行比較。腸道(dào)噬菌體研究進(jìn)展已經(jīng)證明了噬菌體在腸道(dào)微生物中作爲組成(chéng)改變因子的作用。噬菌體通過(guò)裂解細菌宿主或介導基因轉移，對(duì)微生物群落施加進(jìn)化壓力。在腸道(dào)中，噬菌體主要是溫和型的，能(néng)夠將(jiāng)自己的基因整合到宿主細菌染色體中，成(chéng)爲前噬菌體, 從而潛伏在細菌宿主一起(qǐ)繁殖；然後(hòu)，前噬菌體可以通過(guò)誘導裂解循環來産生噬菌體後(hòu)代(圖1)。溫和噬菌體也可以選擇通過(guò)直接進(jìn)入裂解循環并立即裂解它們的細菌宿主來繁殖。在GenBank數據庫中，大約一半全基因組測序過(guò)的細菌包含至少一個前噬菌體，有些細菌可以容納多達15個前噬菌體。前噬菌體與細菌的彈性和功能(néng)密切相關，編碼新陳代謝、抗生素耐藥性和毒素産生的基因，從而爲細菌宿主提供健康益處。通過(guò)阻止其他噬菌體的感染和裂解競争細菌，前噬菌體進(jìn)一步增強了其細菌宿主的适合性。細菌與其宿主形成(chéng)共生關系需要一些噬菌體編碼的基因。相反，噬菌體編碼的毒力因子促進(jìn)其宿主的緻病行爲。這(zhè)些發(fā)現與腸道(dào)微生物失調的研究高度相關。

　　圖1 溫和噬菌體繁殖生命周期
　　03
　　噬菌體在生物失調中的作用
　　生物失調與粘膜溫和噬菌體種(zhǒng)群的豐度增加有關。在适度的基線水平下，腸内的噬菌體被自發(fā)地誘導進(jìn)入裂解周期。大規模誘導通常需要環境壓力源，該環境壓力源會(huì)在細菌宿主中引起(qǐ)“ SOS反應”，SOS反應是由細菌染色體中的DNA損傷觸發(fā)。腸道(dào)炎症與常駐腸道(dào)細菌中的SOS反應上調、噬菌體多樣性的喪失以及前噬菌體誘導水平升高有關。已經(jīng)發(fā)現通過(guò)擴大噬菌體編碼基因的毒力因子和抗生素抗性庫，可以驅動細菌病原體的進(jìn)化。在腸道(dào)病原體感染下，觸發(fā)SOS反應的抗生素通過(guò)噬菌體誘導途徑激活志賀毒素的合成(chéng)，可能(néng)會(huì)導緻腹瀉、出血性結腸炎、溶血性尿毒症甚至死亡。前噬菌體編碼其他臨床相關病原體的毒力因子，包括霍亂弧菌、金黃色葡萄球菌、白喉棒狀杆菌和肉毒梭菌，除了直接編碼毒素基因外，還(hái)可以間接上調細菌毒素的産生并影響粘附、定植和侵襲。此外，糞菌移植艱難梭菌菌群失調的恢複與供體噬菌體的攝取有關。總而言之，各種(zhǒng)強有力的證據表明，腸道(dào)噬菌體在腸道(dào)微生物失調相關的疾病中發(fā)揮著(zhe)作用。
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　　西方飲食失調個案研究
　　關于西方飲食的大量文獻爲該理論模型提供了理想的案例研究，表明噬菌體在介導生物失調中的潛在作用(圖2)。“西方”飲食通常被概括爲“高脂肪”，在西方飲食誘導的肥胖小鼠模型中，不良反應有葡萄糖耐量不全和脂肪肝，用諾氟沙星和氨苄西林治療後(hòu)，兩(liǎng)者均可改善。西方飲食會(huì)破壞腸道(dào)微生物動态平衡，從而激發(fā)腸道(dào)通透性增加，内毒素吸收增加和内毒素血症的狀态。内毒素繼而驅動宿主的免疫反應，從而産生炎症、葡萄糖耐受不良和代謝綜合征等其他症狀。
　　西方飲食不僅攝入過(guò)多的脂肪，而且纖維素攝入低，所以腸道(dào)菌群從上皮粘液層中覓食多糖來進(jìn)行補償。健康的粘液層將(jiāng)敏感的宿主上皮與腸腔的促炎成(chéng)分分開(kāi)。然而，聚糖覓食細菌降解粘液層會(huì)削弱這(zhè)種(zhǒng)保護作用，使腔内細菌更靠近上皮，從而促進(jìn)炎症并增加腸道(dào)通透性。據推測，腸壁的通透性變高，會(huì)允許更多的氧氣從血流進(jìn)入正常缺氧的腸腔，從而對(duì)腸道(dào)專性厭氧菌造成(chéng)氧化應激。在小鼠結腸炎模型中，氧氣呼吸成(chéng)爲主要的代謝信号，這(zhè)一發(fā)現支持了這(zhè)一觀點。腸道(dào)細菌群落的組成(chéng)是放射狀的，與黏膜相關的細菌最耐氧。并且腸屏障存在一定程度的通透性，與細菌易位和免疫激活相關的通透性增加是有害的，并導緻慢性炎症的發(fā)生。氧濃度的變化也可能(néng)會(huì)影響腸道(dào)噬菌體的數量，因爲氧化應激是SOS反應的觸發(fā)因素，并且可以誘導噬菌體進(jìn)入裂解周期。
　　研究發(fā)現，西方飲食可以增加腸道(dào)粘膜中噬菌體的種(zhǒng)群密度，并擴大噬菌體繁殖所需的噬菌體編碼基因庫。溫和的噬菌體感染率較高，可通過(guò)破壞細菌基因的功能(néng)而引起(qǐ)共生細菌的緻病性，即引起(qǐ)腸道(dào)菌群失調。由于西方飲食對(duì)腸道(dào)環境的幹擾上調了噬菌體編碼的脂質代謝和氧化耐受基因，因此可以合理地推測，在脂質利用率更高、氧水平更高的腸道(dào)環境中，這(zhè)些噬菌體可能(néng)會(huì)賦予其細菌宿主競争優勢。

　　圖2 噬菌體用于生物失調的理論模型
　　展望
　　糞菌移植臨床治療的最新進(jìn)展表明，艱難梭菌感染的成(chéng)功治療與糞菌移植接受者對(duì)供體糞便噬菌體的吸收存在關聯。一項臨床研究發(fā)現，給予去除細菌的糞便濾液足以治療艱難梭菌感染，并使受體噬菌體群落向(xiàng)供體噬菌體轉變。在潰瘍性結腸炎小鼠模型中，與無反應組相比，糞菌移植作用者的粘膜噬菌體數量減少。供體噬菌體群落的組成(chéng)尚未被認爲是影響糞菌移植的重要因素。并且，接受者的飲食因素也沒(méi)有被考慮到。腸道(dào)噬菌體在很大程度上影響腸道(dào)微生物的組成(chéng)，進(jìn)而影響腸道(dào)微生物與人類宿主的關系。腸道(dào)噬菌體非常有趣，仍然需要進(jìn)行大量的研究[1]。
　　參考文獻
　　Lin, D.M. and H.C. Lin, A theoretical model of temperate phages as mediators of gut microbiome dysbiosis. F1000Res, 2019. 8.
　　文章來源：上海噬菌體與耐藥研究所，戴佳