顶级期刊专栏 | 微生物最新研究进展（20210304）
Science
科研| Science：琥珀酸盐是沙门氏菌胞内感染过程中对宿主产生毒性所激活的信号
本文由星若编译
以色列魏茨曼科学研究所生物调控学院Roi Avraham等人于2021年1月22日在Science发表题为《Host succinate is an activation signal for Salmonella virulence during intracellular infection》的文章。在细菌的感染过程中，各种免疫细胞都会发生广泛的代谢重编程。这些变化能否为细胞内病原体所利用仍是一个悬而未决的问题。鼠伤寒沙门氏菌感染巨噬细胞后引起一系列复杂的毒力激活程序，同时逃避巨噬细胞对细菌自身的识别和杀伤。通过对感染鼠伤寒沙门氏菌的巨噬细胞进行代谢谱分析和互作转录组测序的研究，本文发现一种与胞内感染鼠伤寒沙门氏菌的毒力和生存能力相关的宿主代谢物——琥珀酸盐（Succinate）。同时，这个代谢物也是细菌产生耐药性的关键。与此类似的研究，Rosenberg等人报道的肠道沙门氏菌血清型伤寒菌感染巨噬细胞，可以引起细胞内琥珀酸的积累。因此，本文推测对琥珀酸的诱导和感知可能更普遍地作为启动细胞内病原体耐药性程序的开关。
摘要：胞内感染病原体存活的关键在于是否能感知并且对不断变化的宿主环境产生应答。与微生物产物的接触会引起巨噬细胞中新陈代谢的改变，从而诱导免疫反应。然而，巨噬细胞代谢重编程在细菌适应细胞内环境中的作用尚不清楚。本文我们利用代谢谱分析和互作转录组测序（Dual RNA-seq）的方法，发现胞内感染的鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella Typhimurium，S.Tm）可以感应巨噬细胞中琥珀酸盐的累积，因此提高细菌的耐药性和促进III型分泌（Type III secretion）。同时，缺乏琥珀酸盐摄取性转运体DcuB的S.Tm在巨噬细胞和小鼠模型中的存活率显著降低。因此，S.Tm联合感染后巨噬细胞中的代谢重编程，可以共同作为诱导细菌产生毒力和存活能力的信号，为宿主代谢和病原体相互作用的研究提供了全新的视角。
原名：Host succinate is an activation signal for Salmonella virulence during intracellular infection
译名：琥珀酸盐是沙门氏菌胞内感染过程中对宿主产生毒性所激活的信号
期刊：Science
IF：41.845
发表时间：2021.1.22
通讯作者：Roi Avraham
通讯作者单位：以色列魏茨曼科学研究所生物调控学院
DOI号：10.1126/science.aba8026
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/371/6527/400?rss=1
Nature
科研| Nature Microbiology：全球海洋中微生物对碳氢化合物的产生与消耗
本文由弈轩编译
美国加州大学圣巴巴拉分校地球科学与海洋科学研究所的Robert K. Nelson 和 David L. Valentine等人于2021年2月1日在Nature Microbiology发表题为《Microbial production and consumption of hydrocarbons in the global ocean》的文章，本研究对海洋表层水中的蓝细菌产烷能力以及产量进行检测，发现寡营养型回旋中的蓝细菌主要产生正十五烷，而微生物的碳氢化合物的产生在阳光照射的海洋表面表现出分层和昼夜循环，并且通过采用化学和同位素示踪法等多方面的方法进行研究发现，蓝藻生产的十五烷的全球总量超过海洋中石油污染的总输入量的100到500倍，并维持了大量可以降解十五烷的细菌的数量。结果表明，蓝藻的碳氢化合物生产选择性的用长链烷烃启动了海洋的微生物组，而碳氢化合物的降解则受到包括石油渗漏等外界因素的控制。
摘要：现阶段，渗漏、溢出和其他方式的石油污染会将碳氢化合物引入海洋。海洋蓝藻也能从脂肪酸中产生碳氢化合物，但目前对这种可产生碳氢化合物的蓝藻循环的大小和周转率知之甚少。我们研究发现，寡营养型回旋中的蓝细菌主要产生正十五烷，而微生物的碳氢化合物的产生在阳光照射的海洋表面表现出分层和昼夜循环。通过使用化学和同位素示踪法，我们发现十五烷的产生主要发生在较低的富营养区，即下透光带。利用多方面的方法，我们估计蓝藻生产的十五烷的全球总量超过海洋中石油污染的总输入量的100到500倍。我们研究发现，快速消耗的十五烷维持了大量降解十五烷的细菌的数量，甚至可能包含古细菌。此外我们表征了开阔海洋中的微生物碳氢化合物循环，这一循环量使石油输入相形见绌。我们假设，蓝藻的碳氢化合物生产选择性的用长链烷烃启动了海洋的微生物组，而其他石油碳氢化合物的降解则受到包括石油渗漏等外界因素的控制。
原名：Microbial production and consumption of hydrocarbons in the global ocean
译名：全球海洋中微生物对碳氢化合物的产生与消耗
期刊：Nature Microbiology
IF：15.540
发表时间：2021.2.1
通讯作者：Robert K. Nelson & David L. Valentine
通讯作者单位：美国加州大学圣巴巴拉分校地球科学与海洋科学研究所
DOI号：10.26008/1912/bco-dmo.826878.1
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41564-020-00859-8
科研| Nature Microbiology：极端降雨后淡水微生物群落的恢复受循环演替的调节
本文由流浪过的梦编译
捷克科学院生物中心水生生物研究所Tanja Shabarova等人于2021年1月28日在Nature Microbiology发表题为《Recovery of freshwater microbial communities after extreme rain events is mediated by cyclic succession》的文章，本文通过对极端降雨后淡水微生物群落的研究，发现微生物变化的一些趋势，为微生物生态研究中微生物群落变化等研究具有重要的借鉴意义。
摘要：小湖泊和池塘占据了内陆淡水的巨大表面积，代表着重要的陆水界面。极端天气事件造成的干扰会对这些生态系统产生重大影响。在这里，我们分析了两次洪水事件中营养物和整个浮游生物群落的动态，以及之后，当建立准稳定条件时，以调查这种扰动对一个小型森林池塘的影响。我们表明，洪水导致了常驻有机体的反复冲刷和营养负荷成倍增加。尽管如此，微生物群落通过四个明确的演替阶段在洪水发生后的两周内恢复到扰动前的状态。浮游植物，特别是浮游动物的重组需要两倍的时间，并具有重复性和适应性的模式。池塘中溶解的养分的释放与流入速率和群落恢复有关，并在微生物组成恢复之前返回到干扰前水平。我们的发现揭示了小水体功能适应力的潜在机制，并且与全球变化引起的极端天气增加有关。
原名：Recovery of freshwater microbial communities after extreme rain events is mediated by cyclic succession
译名：极端降雨后淡水微生物群落的恢复受循环演替的调节
期刊：Nature Microbiology
IF：15.54
发表时间：2021年1月28日
通讯作者：Tanja Shabarova
通讯作者单位：捷克科学院生物中心水生生物研究所
DOI号：10.1038/s41564-020-00852-1
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41564-020-00852-1
科研| Nature Communications ：宿主免疫调节微生物群移植治疗艰难梭状芽胞杆菌Clostridioides difficile 感染的疗效
本文由茗溪编译
美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院微生物学系的Michael C. Abt等人于2021年2月2日在Nature Communications 发表题为《Host immunity modulates the efficacy of microbiota transplantation for treatment of Clostridioides difficile infection》的文章，该研究证明了多种免疫缺陷小鼠，即缺乏CD4+ Foxp3+ 调节T（Treg）细胞的小鼠，与具有免疫能力的小鼠相比，长期感染艰难梭菌Clostridioides difficile且粪菌移植 (FMT) 后无法解决感染的小鼠表现出肠道炎症增加的症状。FMT接种物中移植的细菌没有完全植入到FMT无应答小鼠的大肠中，肠道代谢产物也没有恢复到感染前的水平。这些数据揭示了宿主免疫系统在支持细菌移植和随后解决艰难梭菌感染方面的重要作用。
摘要：粪菌移植 (FMT) 是治疗复发性艰难梭菌Clostridioides difficile感染的成功治疗策略。尽管疗效显著，但FMT治疗的实施有限，且其作用机制仍不清楚。在本研究中，我们证明了免疫系统在使用小鼠艰难梭菌感染系统支持FMT的关键作用。在FMT后，Rag1杂合子小鼠可以清除艰难梭菌C. difficile，而同窝的Rag1−/− 小鼠不能清除感染。靶向消融适应性免疫细胞亚群揭示了CD4+ Foxp3+ T调节细胞在FMT介导的艰难梭菌感染的缓解中起到的必要作用，而不是B细胞或CD8+ T细胞。无反应的FMT小鼠表现出炎症加重、FMT菌群的移植物受损以及共生菌源的次级胆汁酸代谢产物在大肠中无法恢复。这些数据表明，宿主的炎症免疫状态可以限制基于微生物的疗法治疗艰难梭菌感染的效果。
原名：Host immunity modulates the efficacy of microbiota transplantation for treatment of Clostridioides difficile infection
译名：宿主免疫调节微生物群移植治疗艰难梭状芽胞杆菌Clostridioides difficile 感染的疗效
期刊：Nature Communications
IF：12.121
发表时间：2021.2.2
通讯作者：Michael C. Abt
通讯作者单位：美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼 (Perelman) 医学院微生物学系
DOI号：10.1038/s41467-020-20793-x
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20793-x
科研| Nature Communications：合成微生物群落的自动化设计
本文R.A Uyghurii编译
伦敦大学细胞与发育生物学系Chris P. Barnes等人于2021年1月28日在Nature Communications发表题为《Automated design of synthetic microbial communities》的文章，本文以合成生物学中的计算电路设计(computational circuit design)为基础，提出自动化的合成群落设计。本文使用ABC (Approximate Bayesian computation，近似贝叶斯计算) 和 SMC (sequential Monte Carlo sampling，序贯蒙特卡罗抽样) 进行模型选择，确定在化学恒温生物反应器中产生稳定群落的可能性最高的候选系统。使用这些方法，揭示了两个菌株和三个菌株系统的最佳设计。此工作流程还使我们能够导出用于构建稳定群落的基本设计原则，并揭示控制群落组成的关键参数成为可能。
摘要：微生物物种很少会孤立地生存。强有力的证据表明：在自然存在的微生物系统中物种多样性(species diversity)与群落生产力 (productivity of communities)之间存在正相关关系。这些群落在自然界中的普遍存在凸显了基因工程菌株在共培养物生存中可能存在的潜在优势。人为构建合成微生物群落使我们能够创建分布式系统，以减轻在设计单一菌种时，尤其是随着功能复杂性的提高时，经常遇到的问题。本文中，展示了一种用于包括用于化学恒温环境（恒化器）中对营养的竞争、使用群体感应来控制偏害性细菌素相互作用（amensal bacteriocin interactions）的强大的合成微生物群落设计方法。本文基于均计算探索了两个菌株和三个菌株系统，并使用贝叶斯方法选择模型，并鉴定了产生稳态平衡的群落最可靠的候选模型。本文的发现突出了提供稳定性的重要相互作用基序（interaction motifs），并确定了选择遗传成分和进一步调整群落组成所需的要求。
备注：1. Amensalism，偏害作用：是指两种不同物种的生物之间的相互作用，其中一物种受到抑制或破坏，而另一物种则不受影响。
原名：Automated design of synthetic microbial communities
译名：合成微生物群落的自动化设计
期刊：Nature Communications
IF：12.12
发表时间：2021.1.28
通讯作者：Chris P. Barnes
通讯作者单位：伦敦大学细胞与发育生物学系
DOI号：10.1101/2020.06.30.180281
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20756-2
科研| Nature Communications：微生物通过逆向生物合成生产多种短链伯胺
本文由Ares编译
韩国科学技术院BioCentury研究所化学与生物分子工程系国家代谢与生物分子工程国家研究实验室Sang Yup Lee等人于2021年1月8日在Nature Communications发表题为《Microbial production of multiple short-chain primary amines via retrobiosynthesis》的文章，作者通过对特定的酶通过合理的蛋白质工程得到增强，以及合成sRNA技术进行基因敲除以去除大肠杆菌营养缺陷性物质，同时优化发酵条件，对平台大肠杆菌菌株进行了基因工程改造，使大肠杆菌能够直接利用葡萄糖生产氨基酸的直接前体，以从头生产SCPA。本项研究开发了一种结合逆向生物合成的策略，用于识别可能的前体代谢物和最佳混杂酶，通过前体选择步骤确定最佳前体分子，并构建从葡萄糖生产SCPA的代谢工程菌株。对于短链伯胺的生物合成工业具有重大意义。
摘要: 由于生物合成途径的未知，许多化学物质基于生物的生产尚不可能。在这里，我们报告了一种结合逆向生物合成和前体选择步骤的策略，以设计多种短链伯胺（SCPA）的生物合成途径，这些短胺在化学工业中具有广泛的应用。使用通过上述策略确定的15个目标SCPA的直接前体，将绿色链霉菌（Streptomyces viridifaciens）中编码的缬氨酸脱羧酶vlmD作为概念验证的混杂酶进行了体外和体内检测，以从其前体中产生SCPA。表达异源vlmD的大肠杆菌通过饲喂其直接前体产生10个SCPA。此外，我们开发了经代谢工程改造的大肠杆菌菌株以从葡萄糖中产生代表性的SCPA，包括通过补料分批培养法产生10.67 g/L的异丁胺的SCPA。这项研究提出了系统设计生物合成途径来生产一组相关化学物质的策略，如多个SCPA所展示的那样。
关键词：发酵工程、短链伯胺、代谢工程、逆向生物合成
原名：Microbial production of multiple short-chain primary amines via retrobiosynthesis
译名：微生物通过逆向生物合成生产多种短链伯胺
期刊：Nature Communications
IF：12.121
发表时间：2021.01.08
通讯作者：Sang Yup Lee
通讯作者单位：韩国科学技术院BioCentury研究所化学与生物分子工程系国家代谢与生物分子工程国家研究实验室
DOI号：10.1038/s41467-020-20423-6.
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20423-6
科研| Nature Communications：肠道细菌对于草食性龟蚁 (turtle ants) 的正常角质层发育至关重要
本文由茗溪编译
法国Université des Antilles的Christophe Duplais和美国康奈尔大学的Corrie S. Moreau等人于2021年1月29日在Nature Communications发表题为《Gut bacteria are essential for normal cuticle development in herbivorous turtle ants》的文章，该文章通过结合饲养试验、细菌16S rRNA qPCR和扩增子测序、化学分析、固液核磁共振波谱学、同位素比率质谱等方法和电子显微技术报道了草食性蚂蚁（turtle ants, Cephalotes）在肠道细菌辅助下形成角质层的生物分子机制，明确了肠道细菌在昆虫角质层中富集氮的成分，强调了共生体在昆虫进化中的作用。为了评估龟蚁的肠道细菌是否在配对喂养实验中被破坏，研究者通过16S rRNA qPCR和扩增子测序证实了细菌群落已经被破坏。抗生素治疗减少了样本细菌数量--16s rRNA拷贝数从14033减少到6607。本研究表明，和分析抗生素治疗细菌群落多样性的样品相比，几乎所有的环境污染了完整的细菌群落，其中主要以共生细菌的扩增子序列变异为主。总之，该研究为理解氮从营养物质通过细菌进入昆虫角质层提供了基础资料。
摘要：在昆虫的进化史上，从富含氮的肉食性/杂食性食物到缺乏氮的草食性食物的转变是通过与微生物的共生关系而实现的。草食龟蚁（turtle ants, Cephalotes）拥有保守的肠道微生物群，通过循环利用富含氮的代谢废物来增加氨基酸的生产，从而丰富营养成分。这种浓缩被认为对宿主有益，但我们不知道其程度如何。为了深入了解蚂蚁角质层中的氮同化，我们使用肠道细菌操作、15N同位素富集、同位素比质谱和15N核磁共振波谱来证明肠道细菌有助于角质层中的蛋白质、儿茶酚胺交联剂和几丁质的形成。本研究明确了肠道细菌在昆虫角质层中富集氮的成分，强调了共生体在昆虫进化中的作用，为理解氮从营养物质通过细菌进入昆虫角质层提供了一个框架。
原名：Gut bacteria are essential for normal cuticle development in herbivorous turtle ants
译名：肠道细菌对于草食性龟蚁 (turtle ants) 的正常角质层发育至关重要
期刊：Nature Communications
IF：12.121
发表时间：2021.1.29
通讯作者：Christophe Duplais&Corrie S. Moreau
通讯作者单位：法国Université des Antilles和美国康奈尔大学
DOI号：10.1038/s41467-021-21065-y
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21065-y
Cell
科研| Cell：人类肠道真菌可通过CARD9依赖性诱导的抗真菌IgG抗体来调节免疫
本文由天道酬勤编译
美国威尔康奈尔医学院Itai Doron等人于2021年2月5日在Cell发表题为《Human gut mycobiota tune immunity via CARD9-dependent induction of anti-fungal IgG antibodies》的文章，本研究通过multiKAP（多领域抗体图谱分析）、流式细胞、真菌文库构建、ELISA和单细胞RNA-seq等技术探索肠道真菌在宿主抗体库中的作用，发现CARD9功能缺失导致个体更容易受到严重真菌感染，这与抗真菌抗体反应的缺失有关。针对肠道真菌的IgG抗体可以提高宿主的抗真菌免疫。文章还概述了肠道真菌激活宿主免疫的途径，对于开发抗真菌疫苗或中和抗体提供了新的见解。
图文摘要：Doron等人提出的证据表明，人类肠道中的共生真菌可以在血液中形成抗体反应，以保护宿主免受致命的真菌感染。天然免疫调节因子CARD9和CARD9+CX3CR1+巨噬细胞在抗真菌IgG的产生中发挥了重要作用，缺失CARD9的患者中IgG减少。
摘要：抗体可以介导对病毒和细菌的天然免疫和疫苗诱导免疫反应，而真菌中同样存在着广泛的病原体，目前还没有疫苗和中和抗体在临床应用。通过多领域抗体图谱 (multiKAP) 分析方法，探索了针对肠道共生真菌的人类抗体库。我们鉴定了人体抗体优先靶向的菌种，其中白色念珠菌是抗真菌免疫球蛋白G (IgG) 的主要诱导剂。肠道中真菌的定植诱导肠外淋巴组织中生发中心 (GC)依赖的B细胞的增值分化并产生抗体，从而抑制白色念珠菌（Candida albicans）或耳念珠菌（Candida auris）的传播。抗真菌IgG的产生依赖于先天免疫调节因子CARD9和CARD9+CX3CR1+巨噬细胞。在侵袭性念珠菌病患者中，CARD9功能的缺失与抗真菌IgG反应损伤有关。这些结果揭示肠道共生真菌在CARD9依赖性抗真菌IgG诱导人类抗体库形成中的重要作用。
关键词：B细胞、CARD9、白色念珠菌、假丝酵母、抗真菌IgG抗体、肠道真菌
原名：Human gut mycobiota tune immunity via CARD9-dependent induction of anti-fungal IgG antibodies
译名：人类肠道真菌可通过CARD9依赖性诱导的抗真菌IgG抗体来调节免疫
期刊：Cell
IF：38.637
发表时间：2021.2.5
通讯作者：Iliyan D Iliev
通讯作者单位：美国威尔康奈尔医学院
DOI号：10.1016/j.cell.2021.01.016
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867421000593
科研| Cell：感染训练宿主增强微生物对病原体的抵抗力
本文由小范儿编译
美国国立卫生研究院国家过敏症和传染病研究所宿主免疫和微生物组实验室Yasmine Belkaid等人于2021年1月15日在Cell发表题为《Infection trains the host for microbiota-enhanced resistance to pathogens》的文章，在这项研究中，检查以前的感染可能会增强微生物群落定居的抵抗力，并且解剖潜在的分子机制将导致新型微生物群定向疗法的鉴定。研究结果表明，由短暂感染触发的宿主将磺酸牛磺酸用作营养物，促进微生物群对随后感染的长期抵抗力。
文章摘要：微生物群保护宿主免受感染，这一过程被称为定殖抵抗。感染本身如何影响这个基本过程仍然未知。在这里，我们显示来自先前感染宿主的肠道菌群对感染的抵抗力增强。这种长期的功能重塑与胆汁酸代谢的改变有关，导致利用磺酸牛磺酸的类群扩张。值得注意的是，单独供应外源牛磺酸就足以引起微生物群功能的改变并增强抗性。从机制上讲，牛磺酸促进微生物群产生硫化物，一种细胞呼吸抑制剂，这是许多病原体入侵宿主的关键。因此，药物隔离的硫化物扰乱了微生物群的组成，促进了病原体的入侵。总之，这项工作揭示了一个过程，通过这个过程，宿主在感染触发后，可以将牛磺酸作为一种营养物质来滋养和训练微生物群，促进其对后续感染的抵抗力。
关键词：感染、牛磺酸、定殖抵抗
原名：Infection trains the host for microbiota-enhanced resistance to pathogens
译名：感染训练宿主增强微生物对病原体的抵抗力
期刊：Cell
IF：38.637
发表时间：2021.01.15
通讯作者：Yasmine Belkaid
通讯作者单位：美国国立卫生研究院国家过敏症和传染病研究所宿主免疫和微生物组实验室
DOI号：10.1016/j.cell.2020.12.011
原文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31681-0
科研| Cell Host & Microbe：肠道微生物对宿主免疫激活的快速转录和代谢适应
本文由弈轩编译
美国芝加哥大学杜乔索瓦家庭研究所的Eric G. Pamer等人于2021年2月3日在Cell Host & Microbe发表题为《Rapid transcriptional and metabolic adaptation of intestinal microbes to host immune activation》的文章，本研究通过对四种厌氧共生体对小鼠进行定植实验，发现急性免疫反应导致这些共生体发生基因转录水平的变化，进一步导致了相关代谢物质发生调控。也就是在可检测到的群落组成变化之前，肠道细菌可以通过快速改变基因转录和免疫调节代谢物的产生来响应急性宿主免疫活化。
摘要：肠道微生物群产生调节宿主免疫的代谢物，从而影响疾病抵抗力和易感性。然而，共生细菌对免疫激活的反应程度在很大程度上还没有被探索。在这里，我们用四种厌氧共生体对小鼠进行了定植实验，结果表明急性免疫反应导致这些共生体的转录重编码，其相对丰度变化很小。转录组学变化包括应激反应介质的诱导和糖降解因子如多糖利用位点（PULs）的下调。此外，鞭毛蛋白和抗CD3抗体是两种不同的免疫刺激物，它们诱导了相似的转录谱，表明共生细菌在面对不同的宿主反应时可以检测到共同的效应子或激活共同的通路。免疫激活在6小时内改变了肠道代谢组，降低了腔内短链脂肪酸的含量并增加了芳香族代谢物的浓度。因此，在可检测到的群落组成变化之前，肠道细菌通过快速改变基因转录和免疫调节代谢物的产生来响应急性宿主免疫活化。
关键词：微生物群；转录组；元转录组；免疫反应；急性炎症；胁迫；多糖利用位点；PUL；SCFA
原名：Rapid transcriptional and metabolic adaptation of intestinal microbes to host immune activation
译名：肠道微生物对宿主免疫激活的快速转录和代谢适应
期刊：Cell Host & Microbe
IF：15.923
发表时间：2021.2.3
通讯作者：Eric G. Pamer
通讯作者单位：美国芝加哥大学杜乔索瓦家庭研究所
DOI号：10.1016/j.chom.2021.01.003
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1931312821000330