肠球菌如何在哺乳动物肠道中定植

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导读

肠道菌可以定植在哺乳动物的胃肠道(GIT)中，通常与宿主健康关联。但是肠球菌也会引起宿主的一些疾病。另外，肠球菌因为其固有的和可获得的抗生素抗性，所以在用抗生素治疗期间也可以进行增殖，导致其传播产生疾病。认识到能够在GIT中定植是肠球菌感染的先决条件，引起了研究人员利用肠球菌来研究生态位定植的机制的兴趣。本综述讨论了最近研究的一些主要发现，用于了解肠球菌使用不同的策略在GIT定植，每种方法都具有其独特的优势。这项工作揭示了GIT中的肠球菌转录重编程，由核心基因组编码的特定肠球菌基因对GIT定植的贡献，基因组可塑性的影响，以及物种内和物种间相互作用在调节GIT定植中的作用。

文章介绍

Title: Colonization of the mammalian intestinal tract by enterococci
译名：肠球菌如何在哺乳动物肠道中定植
期刊：《Current Opinion in Microbiology》
影响因子：6.710
时间：2019
作者：Christopher JKristich; Nita HSalzman
通讯单位：微生物与免疫学系，威斯康星医学院
DOI: 10.1016/j.mib.2018.10.005

Fig.1 细菌定植的一般策略

主要定植策略

适应营养来源

肠球菌的基因组上缺少合成某些氨基酸的基因，因此肠球菌需要从其生活的环境中汲取营养物质，才能和其它菌群竞争。通过对临床的屎肠球菌(Enterococcus faecium, Efm)和共生菌之间的比较分析，发现了一个四基因簇，推测可能参与编码的甘蔗渣/果糖/山梨糖家族磷酸酶系统(PTS)，在人类和兽医临床分离的屎肠球菌中富集。表明PTS可以促进细菌在抗生素损坏的胃肠道中定植。PTSs是介导碳水化合物摄取的一种特殊的基质转运系统。ptsD基因的缺失，编码了预测的转运体，破坏了在抗生素干扰小鼠GIT中的定植。虽然潜在的机制还有待阐明，但这些研究强调了营养获取在GIT定植中的重要性
对GIT定植过程中肠球菌的转录反应的研究为揭示肠球菌的营养适应提供了额外的证据。Lindenstrauss等人给无菌小鼠接种了粪肠球菌(Enterococcus faecalis, Ef)，用RNA-seq分析肠球菌转录组，发现大部分被诱导的基因参与了营养物质的转运或代谢。
为了进一步评估Ef定植到无菌小鼠胃肠道后基因表达的变化，这里采用一种基于重组酶的体外表达技术。筛选出114个在GIT中诱导的Ef启动子。与Lindenstrauss等人的研究结果相似，也是一些参与营养转运和能量代谢的基因。

基因组的可塑性和抗菌剂的产生

通过对不同来源的Efm进行比较基因组学分析，发现Efm在进化树上可以分为两个分支，一个是医院相关的分支A(Clade A)，一个与生态相关的分支B(Clade B)，并且两者在基因组序列组成上差别也很大。在体外实验结果中，发现Clade B在胃肠道定制能力方面要优于Clade A。虽然本研究没有确定具体的影响肠球菌定植的基因，但比较明了的一点是，基因组含量的差异会影响肠道菌群的竞争适应性，从而影响GIT定殖。

细胞被膜完整性和抗菌剂抗性

Lebreton等人最近追溯了肠球菌属的演化认为其之所以能够成为GIT的一种共生菌（能够定植下来），可能和其细胞被膜的演化高度相关。这项研究发现肠球菌属的起源与宿主的陆地化相吻合，这种转变需要一个强劲的细胞被膜的发展，从而有利于肠球菌从一个宿主传播到另一个宿主并且能够在GIT中严酷的物理化学条件下生存。
鉴于许多肠内微生物产生的抗菌剂物质以细胞被膜为靶点，所以能够演化出这种抵抗力强的的细胞被膜也有助于抵抗抗菌素的冲击，这表明维持细胞被膜的完整性是GIT定植的关键决定因素。

生物膜的形成，与肠道内环境的相互作用

肠道的蠕动其实也是肠道菌群在定植过程中的一个挑战。为了克服这种挑战，一种可能的猜测是肠内共生菌进化出了能够粘附在粘液层的机制。黏液层的周转率低于肠道蠕动驱动的肠内容物转运时间，反映了共生菌与黏液层结合更加有利于其在肠道定植。
除此之外，一些研究人员提出：与粘液结构相关的共生菌也是生物膜的一部分。利用抗生素处理的小鼠模型实验发现影响肠球菌体外生物膜形成的基因可以影响GIT定植。如编码生物膜形成所必须的AraC家族转录调控的ebrB基因的缺失，导致Efm在GIT中的定植减少了。

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微生物之间的竞争

在抗生素干预过程中GIT肠球菌可以进行增殖反映了和肠球菌群落定植形成竞争关系的其它微生物收到了抑制，这些微生物可以通过直接或者间接的通过它们与宿主黏膜免疫系统的相互作用。长期以来形成的一个观点是，肠球菌之所以能够在GIT增殖是因为在其它微生物逐渐减少的情况下，其利用营养物质和生理生态位的机会就增加了。
但是最近的研究提供了关于抗生素治疗后GIT里的肠道菌群定植的新的理解。如住院病人在抗生素治疗期间，属于Barnesiella属的肠道菌的定植可以防止万古霉素抗性肠球菌（VRE）的一个定植。通过对小鼠中能抑制VRE相关的微生物增殖的分析，发现是Clostridum bolteae与Blautia
producta之间的一种协同关系抑制了VRE的定植。因为Clostridium bolteae可以促进B.producta的定植，而B.producta可以抑制VRE的定植，但是具体的机制还不清楚。

讨论

距离要真正理解肠球菌如何建立和在哺乳动物GIT中定殖的机制需要更加深入的研究和继续发现，但是我们看到有很多初步研究已经朝着这一目标迈出了重要一步；这些发现为我们描绘出一幅新的图画，即肠球菌可能采用一种复杂的、多因素的策略，以确保它们在GIT的高度竞争环境下能够拥有自己的一席之地。
这些功能中的大部分是由肠球菌核心基因组中编码的基因介导的，这与肠道球菌作为GIT的共生体已经进化了几千年的概念是一致，并且肠球菌在今天仍然无处不在。
因此，未来关于GIT定殖过程中肠道菌群核心基因所起的作用的研究可能会给我们提供更多关于肠球菌如何在胃肠道内定植的信息，因为我们希望了解和发现肠球菌-微生物-宿主相互作用和动力学的形成过程中的暗物质。

参考

[1] 原文：Colonization of the mammalian intestinal tract by enterococci

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