Nature子刊 | 多组学联合分析鼠李糖乳杆菌与白色念珠菌之间的代谢争夺战

2022-07-18 07:40:26, 多层组学定制服务上海欧易生物医学科技有限公司

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前言

肠道菌群失调可引发共生念珠菌过度生长，这是传染性念珠菌病的主要诱发因素之一。益生菌如乳酸菌的存在改变了肠道微环境，迫使酵母菌白色念珠菌改变它的新陈代谢，降低它的传染性。通过这种方式，益生菌可以遏制或防止真菌感染在肠道中的传播。

2022年6月，德国耶拿莱布尼茨天然产物研究和感染生物学研究所的科学团队在Nature Communnications期刊发表的题为“Lactobacillus rhamnosus colonisation antagonizes Candida albicans by forcing metabolic adaptations that compromise pathogenicity”的文章，该研究运用转录组学、代谢组学等多组学阐述了共生菌鼠李糖乳杆菌如何拮抗白色念珠菌的致病性，解析了白色念珠菌、鼠李糖乳杆菌和肠上皮细胞之间的相互作用机制。

研究思路

研究结果

1、鼠李糖乳杆菌增加可抑制白色念珠菌的致病性

鼠李糖乳杆菌仅在代谢活跃和增殖时能降低白色念珠菌的致病性。研究人员发现，在单独降低白色念珠菌数量，不植入鼠李糖乳杆菌的情况下并不能降低其致病作用（图1a，图1b）。为了证实鼠李糖乳杆菌仅在代谢活跃和增殖时能降低白色念珠菌的致病性，研究人员在感染4h后，使用抗生素杀死细菌，会消除其保护作用(图1c)，但用物理的方式将鼠李糖乳杆菌和白色念珠菌与肠道上皮细胞分离，并不能消除其保护作用。

图1 | 与存在鼠李糖乳杆菌活菌的白念珠菌相比，减少白念珠菌的接种会造成显著的损害

2、宿主细胞、真菌和细菌的代谢物相互作用

运用LC-MS非靶向代谢组学对白色念珠菌、鼠李糖乳杆菌和小肠上皮细胞（IECs）分泌物之间的代谢相互作用进行了详细的研究。未感染的IECs和白念珠菌感染的IECs之间的代谢环境略有不同(图2a I)。然而，在6和12h时，与未感染的IECs相比，鼠李糖杆菌定植后6h和12h上调差异代谢物分别为73个和74个，下调的差异代谢物分别为46个和53个(图2a II，b)。从图2c聚类热图中可以看出，在6h时，聚类2和3(图2c)表示IECs产生的代谢物，第3群中的代谢物在鼠李糖乳杆菌定植后不再存在，表明它们被鼠李糖乳杆菌消耗。簇1中的代谢物仅在鼠李糖乳杆菌定植IECs时存在，因此可能与它们的保护作用有关。以上研究结果说明，肠上皮细胞分泌的代谢物可促进鼠李糖乳杆菌生长。

图2 | 肠上皮细胞分泌的代谢物可促进鼠李糖乳杆菌生长

3、鼠李糖乳杆菌诱导了不利于白色念珠球菌的生长环境

鼠李糖乳杆菌在补充的角化细胞基础培养基（KBM）中独立生长，白色念珠菌在条件培养的上清液中生长，在以上物理分离的条件下，上清液减少了白色念珠菌的成丝，甚至诱导了从菌丝到酵母的微妙转变(图S4A)。

研究结果发现：苯乳酸和2-羟基异辛酸改变了培养基的pH，与pH调整的培养基相比，植入鼠李糖乳杆菌对白念珠菌丝的影响更大，研究人员还发现胞嘧啶诱导菌丝向酵母转变，因此，胞嘧啶被评估为潜在抑制白色念珠菌诱导损伤的代谢物。经过进一步研究发现，鼠李糖乳杆菌定植消耗对白色念珠菌有利的碳、氮和磷来源，影响其代谢和转录，迫使白色念珠菌进入不利的生长环境。

图3 | 鼠李糖乳杆菌诱导产生不利于白念珠菌的生长环境

4、鼠李糖乳杆菌定植在肠道上皮细胞使白色念珠菌的转录组以及代谢发生变化

研究人员运用转录组学分析研究了鼠李糖乳杆菌定植的IECs感染过程中白色念珠菌的差异基因表达。转录因子基因MIG1和TYE7在细菌定植后6h时显著上调，可能是在竞争剩余的碳水化合物。然而，在24h时，MIG1和TYE7以及GAL4、SUC1、HMO1和STD1均显著下调。尽管MIG1和TYE7在感染早期表达增加，但在整个感染过程中，编码主要糖酵解酶的基因如PFK1表达下调(图5b)。相反，转录因子基因STP2(氨基酸代谢调节因子)在感染早期表现出表达增加。因此，在整个感染过程中，氨基酸渗透酶基因GAP2的表达增加。与此相关，特定的TCA循环基因(CIT1，ACO1和MDH1)，乙醛酸分流基因(ICL1，MLS1)和糖异生途径基因(PCK1，FBP1)在6h上调(图5b)。

图4 | 鼠李糖乳杆菌定植在肠道上皮细胞使白念珠菌的转录组发生变化

图5 | 鼠李糖乳杆菌定植在肠道上皮细胞使白念珠菌经历转录代谢适应

图6 | 白念珠菌的中枢代谢被鼠李糖乳杆菌定植所改变

5、白色念珠菌能量代谢被迫改变，导致其毒力相关基因调控异常，致病性降低

在鼠李糖乳杆菌存在的情况下，白色念珠菌毒性降低可能是由代谢适应所需的基因差异调节介导的。因此，我们从一个基因缺失突变体库中选取了70个与一系列差异调控基因相对应的白色念珠菌突变体，检测它们的损伤潜力。

通过表达量和突变体损伤电位的比较发现，除kre5Δ/Δ外，相应基因的下调与损伤能力降低之间存在相关性。除ypt7Δ/Δ和orf19.7328Δ/Δ外，鼠李糖超损伤突变体对应的基因在6h和12h显著上调，表明这些基因可能是潜在的毒力基因。综上所述，这支持了这样一种假设：鼠李糖乳杆菌定植的的转录调控代谢适应降低了毒力和抗毒力基因的表达，从而降低了白色念珠菌的致病性。