Letter | 精准编辑肠道微生物缓解结肠炎症(IF: 40.137)
一、导读
胃肠道的炎症反应通常与微生态失衡相关，主要的特征表现为微生物群落的改变，其中就包括Enterobacteriaceae family（Proteobacteria phylum）（肠杆菌科（变形菌门））丰度的升高。而钼辅因子依赖的厌氧呼吸酶和甲酸脱氢酶对Escherichiacoli等Enterobacteriaceae的繁殖扩增起到至关重要的作用，钨酸盐（Tungstate）能替代钼辅因子中的钼，使辅因子在肠杆菌中失活。
抗生素不能区分有益和潜在的有害微生物，对治疗肠道微生态失衡引起的疾病并不是明智的选择，最好的方式是控制共生的Enterobacteriaceae的菌群丰度而不是完全清除它们。与广谱的抗生素相比，Tungstate治疗通过钼辅因子途径，选择性的调节菌群的失衡，如Enterobacteriaceae，并且Tungstate调节钼辅因子依赖的过程只发生在肠道炎症的情况下。因而Tungstate只在疾病状态时对肠道菌群发挥调控作用，正常稳态下并不能清除Enterobacteriaceae。
下面这项研究中发现了钼辅因子依赖的过程作为一种控制疾病中特异性微生物组成的靶点，并进一步证实了Tungstate通过微生物操纵的方式改善微生态紊乱导致的粘膜炎症。
二、论文ID
原名：Precision editing of the gut microbiota ameliorates colitis
译名：精准编辑肠道微生物缓解结肠炎症
期刊：Nature（letter）
IF：40.137
发表时间：2018年
通讯作者：Sebastian E. Winter
通讯作者单位：Department of Microbiology, University of Texas Southwestern Medical Center
三、实验设计
四、实验结果
1、Tungstate抑制Enterobacteriaceae菌的生长
标准的厌氧实验环境下，tungstate（W）对Enterobacteriaceae的生长并没有影响，只是会扰乱厌氧硝酸还原酶（nitrate-reductase）的活性（Fig1.a-c），在有电子受体（如硝酸盐）和电子供体（如甲酸）存在时，正常菌（E.colik-12）生长明显会优于ΔmoaA菌（钼辅因子合成缺陷突变菌），这说明钼辅因子对Enterobacteriaceae的生长是至关重要的，但是tungstate加入后，E.colik-12生长与ΔmoaA并无差异，tungstate的加入扰乱或者是抑制了正常菌的生长（Fig1.d, e）。
2、结肠炎小鼠模型中tungstate处理抑制钼辅因子依赖性的Enterobacteriaceae的生长
为了研究tungstate是否会影响哺乳动物肠道中钼辅因子依赖的过程，实验采用了DSS诱导的结肠炎小鼠模型（对照采用mock处理，非结肠炎），然后小鼠口服E.colik-12和ΔmoaA进行研究（tungstate也采用口服，溶于水中）。结肠炎下，盲肠和结肠的E.colik-12生长优于ΔmoaA，tungstate处理后，这种优势没有了，tungstate抑制了钼辅因子依赖的菌的生长（Fig1.f）。而且E.colik-12总的数量也减少了（Fig1.g）。同样的结果在人E.coli品系Nissle1917，小鼠E.cloacae品系，来源于炎症性肠炎病人的E.coli (AIEC) 品系NRG857c和饲喂AIEC NC101的Il10–/–小鼠（IL10缺陷的结肠炎小鼠模型）实验中得到验证（Fig1.h-k）。以上这些结果证明了小鼠结肠炎模型中，口服tungstate能抑制钼辅因子依赖的Enterobacteriaceae的生长。
3、Tungstate对微生物群落的影响(采用Shotgun宏基因组测序和16S测序)
Tungstate处理下，钼辅因子依赖的硝酸盐呼吸、氧化三甲胺呼吸和甲酸氧化被抑制（Fig2.b）。
在结肠炎模型中，tungstate处理使微生物群落的组成由微生态失衡转向正常状态。PCA分析显示DSS+W组更接近于mock和W组，而与DSS组不同（Fig2.c-d），门水平群落多样性组成也是同样的结果（Fig2.e）。
Tungstate选择性的抑制Enterobacteriaceae群落的扩增，其他科的菌未受影响或者受轻微影响（门水平群落多样性组成上DSS+W组得以恢复（Fig2.e），Enterobacteriaceae丰度下降（Fig2.f）， Enterobacteriacea菌丰度变化最大（Fig2.g）。
同时我们也可以看到W组与MOCK组相比，在非炎症下，Tungstate处理（W组）并不影响Enterobacteriaceae的群落结构，多样性等（Fig2.c,e, f）。
4、Tungstate处理并不影响非钼辅因子依赖的其他过程（如富马酸，琥珀酸的代谢），并且对小鼠本身并无影响
综上，Tungstate能抑制炎症相关的肠道微生物组成的改变，而且是依赖于钼辅因子依赖的代谢通路相关的微生物。
5、采用Tungstate操纵结肠炎模型下的微生物群落，炎症降低
Tungstate处理，明显降低了肠道粘膜的病理恶化，缓解了炎症导致的结肠长度的变短和小鼠体重的减少（Fig3.a-c）。并在E.coli strains K-12, Nissle 1917, AIEC NRG857c和E.cloacae处理的模型中得到证实（ExtendedData Figs 2c–l,3c–h,4d–h）。类似地，在Il10–/– 小鼠模型中也得到验证（Fig3.d-g）。
以上证实了Tungstate通过操纵肠道微生物抑制肠道炎症的发生。
6、Tungstate通过影响影响微生物来抑制炎症反应。
细胞实验发现tungstate对DSS诱导的促炎反应和细胞对损伤抗性并无影响(Extended Data Fig.8b–d)，但是，炎症后Tungstate治疗给药能抑制钼辅因子依赖的Enterobacteriaceae的生长(Extended Data Fig.8e,f)，这证实了Tungstate对微生物群落的影响不是通过抑制DSS诱导的炎症反应，而是通过影响影响微生物来抑制炎症反应。
五、研究结论
这项研究中发现，钨酸盐（tungstate）可以缓解肠道炎症发生时Enterobacteriaceae的扩增失衡，机制上钨酸盐能选择性的抑制钼辅因子依赖的微生物呼吸通路（molybdenum-cofactor-dependentmicrobial respiratory pathways），而且是在炎症发生时发挥抑制作用。相反，在稳态下，钨酸盐处理只能引起微生物群落微小的变化。在小鼠结肠炎模型中，钨酸盐调控的微生物操纵能显著减轻肠道炎症。因而得出结论，这种在炎症肠道中通过钨酸盐处理对微生物组成进行的精准操纵能改善微生态失衡的不良反应，减轻炎症。
六、点评
Nature LETTER一向以新意著称，这篇文章也不例外，发现了钼辅因子依赖的这样一类菌群在病理状态下会发生扩增，这是种不好的结果，那我们能不能针对这个钼辅因子进行抑制进而影响这类菌群，再进而对肠道疾病产生益处呢等等。这篇文章通过这个思路给出了实验证明，而且是详细的实验证明。另外这篇文章提到了精准的微生物操纵，这是个亮点，就如文章自己提到的，调控菌群的大小而不是去清除他们或许对我们更有益处。是篇很好的文章，值得大家学习。但是科研狗的学术生涯是苦逼的，最后给大家放个截图自己体会吧。
本文由微生太群友编译，莫秋芬、江舜尧编辑。