Science | 肠道菌群多样性越高，帮助宿主抵抗病原菌入侵的能力越强，竟是通过营养阻断来实现的！

文章来源于（迈维代谢）肠道菌群是一个复杂的生态系统，主要分为三类：有益菌、中性菌和病原菌。有益菌是肠道定植菌中的主要组成部分，对维持肠道健康起着重要作用；中性菌也称条件致病菌；病原菌是肠道中的有害细菌，可能引发各种疾病和感染，常见的病原菌包括沙门氏菌、幽门螺杆菌等。肠道菌群提供的一个主要健康益处是防止病原体定植和随后的感染，这一现象被称为定植抗性。肠道菌群是如何对抗病原菌入侵的呢？2023年12月15号一篇题为“Microbiome diversity protects against pathogens by nutrient blocking”发表在Science上，该研究揭示了人类肠道菌群对病原体入侵的防御机制。

根据前期的报道，已经发现多种机制影响微生物群提供定植抗性的能力，如对营养和空间的竞争，毒素和其他有害化合物的直接拮抗，以及促进宿主对病原体的免疫。但这些机制通常是特定环境的，依赖于特定的菌株或细菌种类。在肠道微生物多样化的生态系统中，我们缺乏通用的标准来预测哪些微生物群是保护性的，哪些是允许病原体定植的。该实验研究了人类肠道细菌如何影响两种主要细菌病原体的定植，包括体外和无菌小鼠体内实验。

组学方法：宏基因组测序分析，全基因组测序分析；

其他方法：生态入侵实验，竞争分析实验，体外实验，体内实验，营养重叠分析等；

微生物群的个体成员可以促进不同环境下的定植抗性，这表明一些物种比其他物种对定植抗性更重要。为了系统地评估这种可变性，研究人员筛选了100种不同的人类肠道共生体，以确定它们限制病原体生长的能力。肠道内的竞争既发生在病原体进入肠道时，也发生在病原体形成时。通过两种共培养试验来反映哺乳动物肠道竞争的这两个方面（图1A）。在第一个实验（生态入侵实验）中，加入病原体之前，在标准厌氧培养基中单独预培养共生体，缓冲到人类结肠pH。在第二个实验（竞争实验）中，用相同比例的共生菌和病原体接种培养基，这是一种旨在捕捉竞争的方法，一旦病原体在肠道中站稳脚跟。研究人员通过肺炎克雷伯菌（ K. pneumoniae）和鼠伤寒沙门氏菌（S. Typhimurium）来评估病原菌的生长情况，根据菌株在生态入侵和竞争测试中限制病原体生长的能力对菌株进行排名(图1B和C)。选择了表现最好的10种非致病性共生菌并对它们进行更严格的定植抗性测试。首先将病原体引入给定共生菌株的预培养物中，24小时后，将混合物传代到新鲜培养基中并让其生长24小时，此时用流式细胞术评估病原体丰度(图1D)。尽管选择了排名最高的共生菌，但所有共生菌在长期竞争中表现不佳，大多数共生菌没有明显的定植抗性(图1E和F)。表现最好的是大肠杆菌，它是鼠伤寒沙门氏菌的已知竞争对手，也是肠杆菌科的一员，但在这里提供的保护也非常有限，病原体仍然能够达到10⁸到10⁹个细胞/ml。当10种病原体合并在一起时，检测结果差异很大(图1E和F)，两种病原体的最终丰度都被强烈抑制，由此说明菌株仅在多样化群落背景下对定植抗性起重要作用。

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图1 单一菌群不能提供强大的定植抗性，但一个多样化的群落可以，这取决于它的组成

虽然多样性的潜在好处是明确的，但在观察性研究中，因果关系可能会混淆。为了系统地测试多样性在定植抗性中的作用，从10个排名最高的物种中随机选择多样性增加的群落，并在扩展竞争试验中与病原菌竞争。为了进一步评估多样性的重要性，从筛选菌株中组装了一个由50个非致病性共生菌组成的群落。结果发现不同群落中2种、3种和5种物种组成不同，在定植抗性方面存在很大差异，表明这种变异性的很大一部分是由群落的组成驱动的。大肠杆菌似乎对结果很重要，尽管单独的大肠杆菌或没有大肠杆菌的其他菌群对病原体的生长影响很小，但它们一起对病原体的生长有很强的影响。这种高阶效应在生态学中被认为是重要的，因为它们意味着环境依赖性，通过模型算法分析发现，随着多样性的增加，对不同群落的定值抗性超过预期。

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图2 有效的体外定植抗性需要生态多样性和关键成员

为了对上述体外方法进行验证，研究人员测试了共生群落在无菌小鼠中抵抗病原体定植的能力，无菌小鼠定殖的共生体群落在多样性和存在或不存在大肠杆菌，鼠伤寒沙门氏菌成功定殖可引起急性感染和大量肠道炎症，这是研究群落组成对病原菌生长影响的主要混淆因素。具有较低保护性微生物群的动物可能迅速死于感染，因此人们无法以可比的方式在不同的治疗中随时间推移遵循生态动态。因此，该研究选择使用一种无毒的鼠伤寒沙门氏菌变体来消除肠道炎症对病原体和宿主的影响，从而使病原体丰度被用作疾病风险的衡量标准。引入跟以前相同的多样性范围的群落，然而，与体外实验相反，并非所有的共生物种都能可靠地在无菌小鼠体内定植。通过宏基因组测序分析发现，向小鼠引入更高多样性的群落确实导致了更高的物种多样性，并确定了所有成员的相对丰度。正如在体外实验观察到的那样，两种病原体的微生物组多样性与粪便中的病原体丰度呈负相关(图3D和E)。此外，dropout实验再次揭示了大肠杆菌和其他群落成员结合对定植抗性的重要性(图3D和E)。与体外实验相比，哺乳动物肠道中有效的定植抗性需要更高的多样性，这可能是由于肠道环境和空间异质程度高于试管。然而，在小鼠实验和体外实验中，关键模式保持不变。生态多样性和高阶相互作用对两种病原菌的定植抗性都很重要。如前所述，高度多样性下生态竞争的简单零模型的强烈偏差(图2)。除了显示这些模式的普遍性之外，体外和体内方法之间的这种契合验证了扩展竞争分析作为探索定植抗性生态的方法。

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图3 有效的体内定植抗性需要生态多样性和关键成员

这种高阶效应在定殖抗性中的发现表明，定殖抗性是一种生态复杂的特性，由于高度的环境依赖性，这一特性可能具有挑战性。利用物种的基因组来评估共生体群落和病原体之间在蛋白质组成上的重叠的功能相似性。计算了在每个调查的群落中也存在的病原体携带的所有蛋白质家族的百分比，这种功能相似性的测量可能映射到生态位重叠，从而映射到共生体和病原体之间的生态竞争强度。结果发现，实验群落所覆盖的编码蛋白家族的数量与添加的物种数量成比例地增加。排列分析还证实，该研究随机选择的群落很好地代表了所有可能研究的群落。大肠杆菌的影响已经清楚地表明了蛋白质家族重叠的潜在重要性(图2和3)。大肠杆菌与肺炎克雷伯菌和鼠伤寒沙门氏菌属于同一细菌家族，可以看出，大肠杆菌在很大程度上促成了给定群落与任何一种病原体之间的蛋白质家族重叠。然而，通过只选取含有大肠杆菌的群落来控制这种效应，体外实验中，群落的蛋白质家族与病原体的重叠与其定植抗性之间存在很强的相关性(图4A和B，以及图5)。换句话说，如果共生体物种或群落编码许多与病原体相同(或相似)的蛋白质，它就能提供更好的定植抗性。

基因组分析同样表明，在编码功能上与病原体高度重叠的群落提供了最好的定植抗性，即生态位重叠对抗定植生态模式很重要，生态位重叠的关键驱动因素之一是资源竞争。通过生成原始筛选中鉴定的两组10个关键共生体物种对每种病原体的代谢谱，探索了营养竞争的作用。结果发现蛋白质家族和代谢与病原体群落重叠之间存在强烈的正相关关系，且只有当群落与病原体在碳源利用谱上有足够高的重叠时，才能观察到定植抗性。此外，与病原体代谢重叠最多的群落具有最大的定植抗性。这些数据指出了营养竞争的重要性，特别是群落和病原体之间的营养利用重叠。

通过营养竞争和营养补充实验发现，如果病原体可以使用该营养物质，而大肠杆菌不能(图4E和F)，那么在不同的群落中，定植抗性就会丧失。然而，当大肠杆菌可以使用该营养物质时，定植抗性就会恢复。说明微生物群落消耗病原体生长所需营养的能力是定植抗性的基础。营养阻滞效应是整个群落的特性，而不是某一物种的特性。尽管与病原体有相当大的基因组和代谢重叠，但像大肠杆菌这样的物种并没有消耗足够的不同营养物质来阻止病原体的定植。只有与其他物种结合，大肠杆菌才能有效地限制病原体的生长。

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图4 营养重叠可以解释生态多样性的作用和大肠杆菌在定植抗性中的作用

定植抗性是一种复杂的生态特性，但这种复杂性可以通过一个简单的基本原理来理解和预测。作为对这些发现的额外测试，研究人员使用营养阻断原理来预测群落组成，这些组成可以提供最初实验中不存在的细菌菌株的定植抗性。在这项试验中，选择了一种从患者尿液中分离出来的抗微生物耐药性(AMR)临床大肠杆菌菌株。抗菌素耐药性大肠杆菌菌株是目前抗生素替代品的主要目标，因为最近发现该菌株的成员是造成抗菌素耐药性相关死亡人数最多的细菌。AMR大肠杆菌与共生体大肠杆菌的蛋白质重叠最多，但根据抑制两种病原体所需的重叠，预计还需要其他菌株来限制营养可用性。利用生物学数据与AMR大肠杆菌的资源利用重叠，结果发现多样性提高了资源利用重叠的中位数，但这在很大程度上取决于共生体大肠杆菌的存在。

通过评估其他5种群落的定殖抗性来评估选择高表现和低表现群落的能力，在5种水平上，50种大肠杆菌可以组成超过20万个大肠杆菌群落。使用算法对大约50,000个样本进行了分析，确定了4个预测表现良好的菌群组成和4个预测表现不佳的菌群组成。与研究人员的预测一致，预测抗定植的群落与预测允许定植的群落相比，AMR大肠杆菌的丰度中位数减少了100倍(图5F)。

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图5 营养阻塞预测群落的定植抗性

该研究结果说明多样化的微生物组可以提供健康益处，特别是它们可以提高对病原体定植的保护。定植抗性是微生物群落的集体属性，换句话说，一种菌株只有在与其他菌株结合使用时才具有保护作用。至关重要的是，尽管微生物组多样性的增加提高了抵御病原体的可能性，但微生物群落和病原体之间营养利用谱的重叠是关键。

肠道菌群多样性对于宿主健康如此重要，怎样做才能保护肠道菌群多样性呢？下面是小编搜集的一些可以保护肠道菌群多样性的建议，供大家参考。
1.饮食多样化：吃各种不同种类的食物，包括蔬菜、水果、全谷物、蛋白质和健康脂肪等。多样化的饮食可以提供各种不同的营养物质，促进肠道菌群的多样性。
2.多摄入膳食纤维：膳食纤维是肠道菌群的重要食物来源。多吃富含纤维的食物，如水果、蔬菜、全谷物和豆类等，有助于促进肠道菌群的生长和繁殖。
3.控制饮食量：过度饮食会导致肠道菌群多样性下降。控制饮食量，避免暴饮暴食，有助于维持肠道菌群的平衡。
4.减少压力：长期压力会破坏肠道菌群的平衡。学会有效管理压力，通过放松身心的方式来减轻压力对肠道菌群的影响。
5.保持适度运动：适度的运动有助于改善肠道蠕动，促进肠道菌群的生长和繁殖。定期进行适量的运动，如散步、慢跑、瑜伽等，对维护肠道菌群多样性有益。
6.避免滥用抗生素：抗生素会破坏肠道菌群的平衡，导致肠道菌群多样性的降低。尽量避免滥用抗生素，尤其是在没有医生指导的情况下。
总之，保护肠道菌群多样性需要我们从多方面入手，包括合理饮食、控制饮食量、减少压力、适度运动、避免滥用抗生素等。