【科技】Cell子刊：噬菌体对肠道菌群和代谢组的调控（五）
本文承接前面的三篇文章：
讨论
我们的结果表明，裂解性噬菌体不仅敲低（knockdown）了它们的靶向细菌，还通过级联效应影响定殖在肠道的共生细菌群落中非靶向的细菌物种。我们的研究揭示了一个高度互动和动态的群落，其中裂解性噬菌体共存并敲低靶向细菌，其效果通过微生物组的其他成员传播，最终调节肠道代谢组。
我们的工作建立在先前研究的基础上，最大限度利用我们实验设置的优势并提供了见解。虽然已经提出噬菌体在系统发育组成方面作用不大，但是先前所采用的NGS方法通常只获得属水平的分辨率，这可能掩盖了物种水平的变化。我们使用确定细菌集合的结果表明，噬菌体捕食对非靶向细菌物种的影响可能没有得到充分认识。另一项研究同样使用无菌小鼠，他们的结果表明，噬菌体捕食会导致小鼠肠道微生物群落的组成发生变化，但是它们使用的是没有描述过的噬菌体混合物，不能在体外验证噬菌体在细菌群落中的感染性。并且他们使用相对丰度纵向跟踪肠道细菌，没有使用绝对浓度，这就很难研究清楚捕食过程中的直接影响和间接影响。通过噬菌体-细菌相互作用的体外验证，我们可以将噬菌体靶向敲低（knockdown）的效果与随后通过细菌间相互作用对微生物群调节的效果分开。如图2中所示，很明显，对细菌物种的靶向调节对肠道中定殖的其他物种具有后续效应。
虽然噬菌体捕食通常是在物种级别或菌株级别对细菌的特定影响来观察的，但我们的结果强调了细菌群落内细菌间相互作用和潜在级联效应的重要性。 我们的发现与胃肠环境(如密集定居、生态位竞争和营养限制)如何促进物种间激烈竞争和合作的新认识一致。尽管细菌间的相互作用显然很重要，但鉴于目前可用的工具有限，在体内进行实验鉴定和确实是一项挑战。类似地，在分子生物学中，确认基因功能的一般策略是使用基因敲除来验证功能丧失，然后通过将基因重新引入敲除体来验证功能的重新获得。我们的结果表明噬菌体可以为微生物组提供类似的信息，尽管是以分级（graded），而不是以绝对的方式。
多种噬菌体的合理部署可以选择性地调节某些物种，同时最小化对周围微生物群的级联影响。例如，E. faecalis 和B. fragilis 的模拟敲除导致微生物群落中最小的级联效应，尽管在定殖密度上，E. faecalis (~10 5， 每克粪便中的细菌数)和B. fragilis (~10 7，每克粪便中的细菌数）在定殖密度上存在巨大的差异。一种可能性是先施用E. coli 和C. sporogenes 的噬菌体会抑制微生物组对随后施加的B. fragilis 和E. faecalis 噬菌体的反应。然而，我们倾向于另一种情况，B. fragilis 和E. faecalis 敲低的级联效应部分地相互抵消，这可以通过我们从菌群缺失实验中得到的细菌间相互作用网络来解释。来自低丰度物种的强烈影响并不是前所未有的，以前在共生细菌相互作用中也观察到过，例如低丰度的Clostridium scindens 抑制Clostridioidies difficil 感染，我们的结果强调了这种影响也可能发生在共生细菌相互作用中。 我们对各种相互作用的识别引出了一个有趣的后续问题，即这些细菌如何调节它们对哺乳动物肠道生态系统的影响。除了直接的相互作用，如交叉喂养、抗菌肽、群体感应（quorum sensing）和营养竞争，细菌还可以招募宿主来改变局部环境，比如通过炎症的方式。总的来说，我们的发现表明，具有适当特性的噬菌体可以作为研究微生物群落的动力学和相互作用结构的有力工具，提供持续的敲低或精确的瞬时扰动。
我们的结果还揭示了噬菌体在肠道微生物组中的捕食作用对哺乳动物宿主有潜在的影响， 这可以通过肠道代谢组的调节来证明。微生物代谢物在调节细菌和哺乳动物宿主之间的相互作用中具有重要作用，噬菌体和微生物代谢物之间的联系提供了一种有趣的治疗途径。其他细菌调节方法，如抗生素，可能对微生物代谢产生长远和不可预测的影响，链霉素（streptomycin）和头孢哌酮（cefoperazone）证明了这一点，它们分别影响了能够检测到的小鼠粪便代谢物中的87%和53%。相比之下，噬菌体可以引发物种靶向效应，比如：以通过噬菌体对减少色胺（tryptamine）的C. sporogenes 的捕食可以加速胃的流动性。对减少酪胺（tyramine）的E. faecalis 的捕食可以诱导回肠收缩。尽管仍然需要做大量的工作来表征肠道微生物代谢，但是噬菌体对细菌靶向敲低可以调节微生物代谢，这是一种可以用于治疗目的的潜在途径。
噬菌体和敏感细菌的纵向特征使我们能够观察噬菌体在肠道微生物群中的捕食动态。我们的发现之一是裂解性噬菌体在肠道中持续存在，被靶向的细菌经历了敲低（knockdown）而不是根除，这与我们发现的T4噬菌体与E. coli 共存一致。过去的研究表明，T4噬菌体可以在哺乳动物肠道中的易感细菌上繁殖，更一般地说，裂解性噬菌体和细菌可以共存数周。有趣的是，T4噬菌体和一种类T4（T4-like）噬菌体ED6在用E. coli 单一定殖的小鼠中仅持续一天至两天，而另一种裂解性E. coli噬菌体T7却持续数周。综上所述，这些结果表明背景菌群可能是维持噬菌体在肠道中繁殖的重要因素，这可能是通过细菌间的相互作用发挥作用的。
已经提出噬菌体不能完全根除靶向细菌是由于遗传或生态抗性机制。 在我们的研究中，我们发现以E. faecalis 为靶标的裂解性噬菌体的引入导致在最初的噬菌体易感群体中出现大量噬菌体抗性突变体。先前的工作已经表明Vibrio cholerae 对裂解性噬菌体的遗传抗性的发展与适应性受损相一致，允许易感菌株持续存在并因此繁殖噬菌体。在体外和其他生态系统中也观察到了类似的抗性适应成本，这可能解释了为什么在人类肠道病毒中几乎没有观察到细菌抗性和噬菌体捕食之间共同进化的证据。其他机制，如细菌物理上无法接触噬菌体的生态抗性，也可以解释为什么噬菌体靶向细菌会在肠道中持续存在。此外，体外研究表明，噬菌体在粘膜表面的扩散减少，这表明与管腔相比，噬菌体在肠粘膜中的感染动力学可能发生改变，这可能解释了噬菌体对B. fragilis (一种对肠粘膜具有更大嗜性的物种)的捕食作用与通常在管腔中发现更多的E. coli 的捕食作用的差异。
微生物的复杂性和多样性以及它们在肠道中的相互作用带来了巨大的实验挑战。一般来说，每个个体的人类肠道微生物组都是独特的，通常有不可培养且难以在系统发育上进行分类的微生物组成，经常受到生活方式、药物、饮食和环境因素的干扰，并受到哺乳动物宿主的相互影响。因此，为了研究与人类肠道微生物组相关的复杂生物过程的机制，必须在模型对人类肠道的再现程度和实验实用主义之间达成妥协。我们使用的遗传近交的非繁殖小鼠模型中有10种可培养的已描述的人类共生细菌菌株，包括了适度的复杂性和细菌多样性，同时将潜在的混淆变量（confounding variables）降至最低。我们发现裂解性噬菌体可以在肠道微生物群中发挥广泛的意想不到的实质性的作用，但是这仅仅是它们潜在功能影响的一个微弱表现，因为它们具有不同的生活方式(例如，溶源的生活方式)、对于细菌物种的不同的侵染性范围以及水平基因转移的潜力。此外，尽管噬菌体在细菌物种之间通常具有狭窄的侵染性范围，但是它们可以在相同物种的菌株之间表现出广泛的侵染性。因此，该领域的一个重要目标将是开发在完全完整的微生物群落中表征噬菌体效应的方法，例如在常规小鼠或人类群体中。 通过阐明噬菌体和共生细菌在一个简化但仍然真实的肠道环境中的动态关系的细节，我们的工作提供了一个框架来指导这些未来在更复杂环境中的研究，这些研究将寻求阐明噬菌体、微生物群和宿主健康和疾病之间的相互作用。