科研 | Nature：菌株改造和配套饮食“双管齐下”实现菌株移植的精细调控
本文由周建红编译，董小橙、江舜尧编辑。
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一个多样性的肠道微生态系统与人体健康紧密相联，肠道菌群的改造对人类疾病的精准治疗有广泛影响。在没有极度扰乱的情况下，人体内的肠道菌组成一般是稳定的。相比之下，植入外源共生菌和益元菌对一个既定微生物群的反应却各异，通常难以预测，且很大程度受常驻菌群影响。因此，分析影响菌株植入与丰度的因素对新兴的微生物组改造至关重要。本研究通过让小鼠摄入海洋多糖（即紫菜），并向一种外源拟杆菌株中转入一组可以利用紫菜多糖的罕见基因位点，构建了一个独特的代谢生态栖位。本研究还显示，向不能消化紫菜的拟杆菌植入消化紫菜的主要基因，可以通过调节紫菜的喂食量，精细调控植入菌株丰度。最后，利用这个方法在小鼠结肠隐窝生态系统中成功植入了一种改造的新菌株。这些数据强调了特有饮食对塑造微生物组成的重要影响，为在肠道中基于细胞水平治疗各种疾病提供了线索。
原名：An exclusive metabolic niche enables strain engraftment in the gut microbiota
译名：一种独特的代谢生态栖位实现在肠道菌群中移植菌株
期刊：Nature
IF：40.137
发表时间：2018年5月9日
通信作者：Justin L. Sonnenburg
通信作者单位：斯坦福大学
为了考察外源细菌多大程度上可变地和不同的微生物定居于宿主，本研究利用一组常规肠道菌小鼠，和两组分别植入不同美国人肠道菌的无菌小鼠作为模式宿主。三组小鼠都植入一种改造过的肠道共生菌–––卵形拟杆菌（我们称为NB001），它们被特异性地改造为可以同时食用果聚糖和海藻聚糖（图1a）。7天后，在小鼠大便中用绿色荧光蛋白（green-fluorescent protein, GFP）阳性菌落形成单位测量NB001密度。从图1b中可以看到，不同肠道菌小鼠对NB001菌的植入表现出不同反应。
给三组小鼠喂食低聚果糖（菊粉），仍然观察到NB001在三组小鼠的不同丰度（图1c中橙色区）。神奇的是，食用海藻聚糖（紫菜）的三组小鼠都表现出明显的菌落增加，且组间差异不明显（图1d中绿色区）。
图1肠道菌生态栖位的差异以及喂食特定营养对植入菌的有效控制
为了证实确实是紫菜的摄入对这一过程起关键作用，本文设计实验考察喂食和不喂食紫菜是否可以可逆地控制植入菌菌落大小。首先，给能够消化紫菜的常规肠道菌小鼠植入NB001，前六天喂食紫菜，六天后饮食中减少（MAC–）或添加（MAC+）其他多糖，对菌落基本没有影响（图2a和2b）。但是，敲除代谢紫菜8个必须基因后，即使喂食紫菜，小鼠内NB001丰度也没用明显增加（图2c中蓝色圆圈）。
拟杆菌菌落定植有一个很有意思的“先来者居上”现象，就是先定植的菌落（图2d中蓝色圆圈）会抑制后定植的同类菌落生长(图2d中绿色圆圈) 。我们认为通过饮食控制，可以消除这种效应。确实，植入无法消化紫菜的菌种6天后(图2e中蓝色圆圈)，定植可以消化紫菜的菌种（图2e绿色圆圈），给这两类菌喂食紫菜，后定植的菌可以呈现出“后来者居上”的“逆袭”。更有意思的是，停止喂食紫菜三天后，两种菌落又可以共存了（图2f）。
图2 特定饮食可以调节植入菌菌落大小，并且可以克服先定植菌群对新菌落植入的排斥
NB001能够消化紫菜归功于植入的海藻聚糖基因座PUL。基于NB001的全基因组测序（图3a），本研究分别将10个、21个、34个PUL基因转入不能消化紫菜的两个菌系：粪便拟杆菌和多形拟杆菌。结果发现，10个基因的转入不足以让两个菌种在只喂食紫菜的条件下生长，但是20个、34个基因的转入可以让两种菌株在只摄取紫菜的小鼠体内生长（图3b）。而且常规肠道菌小鼠移植添加了21个消化紫菜基因的多形拟杆菌后，喂食紫菜可以可逆地控制该类菌种丰度（图3c）。并且，紫菜摄入量每降低10倍，菌种丰度也降低10倍（图3d）。不仅如此，细胞影像也在小鼠结肠内观察到，紫菜摄入浓度为1%的小鼠（图3e右边）比浓度为0.01%的小鼠（图3e左边）有更多的定植菌系（用绿色荧光蛋白显示）。这说明，紫菜摄入量的调节，可以精密调控菌群的定植。
图3植入菌菌落大小控制的高度调节
最后，本研究考察了紫菜的摄入是否可以实现结肠隐窝的菌种定植。之前的研究表明，多形拟杆菌的移植会被肠道中已定植的同型菌排挤在结肠隐窝之外。本研究将野生型多形拟杆菌（可以表达红色荧光蛋白RFP）植入无菌小鼠，7天后再植入改造的有21个消化紫菜基因的工程菌（表达绿色荧光蛋白GFP）。不喂食紫菜时，表达GFP的菌种被排挤在结肠隐窝外（图4a和c），这是意料之中的结果。但是，当喂食紫菜时，表达GFP的、能消化紫菜的菌种可以在结肠隐窝定植（图4b和c），这说明特有饮食使得改造菌种可以在特定微环境重建。
图4紫菜摄入实现改造菌落在结肠隐窝的定植。(a)不喂食紫菜，结肠隐窝中看不到改造多形拟杆菌。（b）喂食紫菜，改造菌种成功在结肠隐窝重建。（c）喂食和不喂食紫菜的情况下，改造的多形拟杆菌在结肠隐窝的数量有明显差别，p值等于0.0395。
本研究利用特定饮食控制实现在多样化的肠道菌群小鼠中成功植入菌种，并通过调节改造菌特有的营养精细控制菌种丰度，这种效应不受饮食中其他营养元素的影响，并且是可逆的。实验结果帮助我们理解肠道菌摄取特定营养的途径，设计出促进人类健康的微生物菌适合的肠道微环境。
本研究结合了几项非常流行的先进生物技术：菌种移植、基因改造、基因测序、细胞影像等。本文的通讯作者Justin L. Sonnenburg教授研究肠道菌10多年，在CNS上发表了一系列很有影响力的研究成果，包括对与世隔绝的Hadza原始狩猎部落的肠道微生物分析，高纤维与低纤维饮食对肠道菌的影响等，有兴趣的读者可以阅读该课题组的其他相关论文。