【科技】Cell子刊：噬菌体对肠道菌群和代谢组的调控（四）
本文承接前面的三篇文章：
6 噬菌体可以调节与特定细菌独特相关的神经递质代谢物
Phages Can Modulate Neurotransmitter Metabolites Uniquely Associated with Specific Bacteria
我们观察到，在某些情况下，噬菌体捕食的特异性允许靶向特定的细菌物种，并因此敲低（knockdown）特异相关的代谢产物。 色胺（Tryptamine）是一种通常来源于植物的神经递质，但也可以由少量的共生肠道细菌通过色氨酸脱羧（tryptophan decarboxylation）产生。而这个基因在大约10%的人类肠道细菌宏基因组中存在，到目前为止仅在两个具有遗传特征的物种中被鉴定，即R. gnavus 和C. sporogenes，后者是我们定殖的细菌集合中的成员。与我们集合的其他成员相比，R. gnavus (rumgna_01526)和C. sporogenes(clospo_02083)色氨酸脱羧酶氨基酸(tryptophan decarboxylase amino acid)序列的BLAST检索结果显示蛋白同源性差，这与C. sporogenes 的独特关联相一致。在第一组噬菌体施加期间，我们检测到色胺分别在0.3、2和13天降低了10、17和2倍，如图5F所示的氨基酸途径所示。这分别对应于C. sporogenes 降低840倍、4倍和4倍(图5D)。
作为另一个例子，神经递质酪胺（tyramine）是由产乳酸的细菌（lactic acid bacteria），包括E. faecalis，通过酪氨酸脱羧（tyrosine decarboxylation）产生的。E. faecalis 是我们细菌集合中唯一的产乳酸的细菌。我们在文献中没有发现酪氨酸脱羧酶（yrosine decarboxylase）与其他联盟成员的关联，也没有发现与E. faecalis 的tyrDC蛋白有任何显著的蛋白同源性。这与酪氨酸脱羧（tyrosine decarboxylation）功能只与E. faecalis 有关相一致。施加第二组噬菌体导致酪胺（tyramine）减少4、2.7和4倍(分别在0.3、2和13天)，如图5G的氨基酸途径所示。这相对应于E. faecalis 分别减少了1.3倍、9倍和42倍(图5E)。由于经过实验验证的微生物代谢物数量有限，很难广泛地将特定代谢物与我们细菌集合中的单个物种联系起来。然而，色胺（tryptamine）和酪胺（tyramine）分别与C. sporogenes和E. faecalis的独特关联表明噬菌体、细菌和代谢物之间存在明显的因果联系。
7 噬菌体可以通过多种细菌物种，调节对寄主有影响的代谢物
Phages Can Modulate Metabolites with Known Mammalian Host Effects Associated with Multiple Bacterial Species
与微生物代谢相关的化合物更广泛地受到噬菌体转变的影响。 例如，第一组噬菌体两种氨基酸，丝氨酸和苏氨酸，在粪便中的浓度增加了，这两种氨基酸在O-glycosylated intestinal mucin中具有很高的代表性，这与我们观察到的A. muciniphila 和B. vulgatus由于噬菌体效应而富集的现象相一致。
我们还发现由于第一组噬菌体，胆盐（bile salts）也发生了显著变化。哺乳动物宿主产生的牛磺和糖共轭的一级胆汁盐（Tauro- and glyco-conjugated primary bile salts）经历微生物转化，包括胆汁盐水解酶(bile salt hydrolases，BSH)的氨基酸解共轭（deconjugation）和羟基类固醇脱氢酶(hydroxysteroid dehydrogenases，HSDH)的脱氢。
我们发现第一对噬菌体对细菌群落的调节增加了去偶联胆汁盐(deconjugated bile salt)，
胆酸盐硫酸盐(cholate sulfate)，并减少共轭胆汁盐(conjugated bile salt)，牛磺鹅去氧胆酸7-硫酸盐(taurochenodeoxycholic acid 7-sulfate)(图5F)。我们发现第一对噬菌体对细菌群落的调节增加了去共轭胆汁盐胆酸盐硫酸盐(cholate sulfate)，并减少了共轭胆汁盐牛磺鹅去氧胆酸7-硫酸盐(图5F)。
这表明胆汁盐水解酶（BSH）的活动增加了，我们发现这主要与我们的细菌集合(B. fragilis, B. ovatus, B. vulgatus, C. sporogenes, E. faecalis, E. coli, P. distasonis 和P. mirabilis)有关，如MetaCyc数据库中所述。我们还检测到两种去偶联的次级胆盐（deconjugated, secondary bile salts）的增加，这两种胆盐在无菌小鼠中没有检测到，因此是微生物来源的12-去氢胆酸盐（12-dehydrocholate）和ursocholate。前者由12a-HSDH的活动产生，而后者由7a-HDSH和7b-HDSH连续活动产生。与直觉相反，每种酶都与B. fragilis, C. sporogenes 和E. coli 相关，这三种细菌在第一组噬菌体施加后相应减少。还可能涉及其他因素，包括主要宿主对胆盐吸收的变化，以及其他成员对胆盐代谢的能力，这些都有待于实验的证实。
图5 粪便代谢组学分析
Analysis of the Fecal Metabolome
(A)从被已知的细菌群落定殖的无菌(GF)小鼠中收集粪便样品，然后施加第一组噬菌体(T4和F1)和第二组噬菌体(VD13和B40-8)(n = 5)。为了确定粪便代谢物浓度的相对变化，将测得的代谢物量标准化为噬菌体施加之前的量。圆圈表示对粪便采样，箭头表示比较。
(B, C)火山图显示，在施加第一组噬菌体(B)后13天和在施用第二组噬菌体(C)后13天，每种代谢物增加的显著性(y轴)对倍数变化(x轴)，水平虚线上方的点表示错误发现率调整后的 p < 0.05的显著变化。
(D, E)为了帮助直接比较每种代谢物相对于细菌群落的变化，细菌浓度（每克粪便中的细菌数目）平均倍数变化的分层聚类。在引入第一组噬菌体(D)和第二组噬菌体(E)后，用Log2比例的热图显示。
(F, G)在施加第一组噬菌体(F)和第二组噬菌体(G)后，用Log2比例的热图对显著变化(错误发生率（FDR）调节后的p < 0.05)的代谢物进行分层聚类。无菌（GF）小鼠中每种代谢物存在的截止时间是在5只小鼠中的至少4只中检测到的时间。文中讨论过的代谢物以粗体显示。