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“三角关系”：噬菌体-细菌-人体互作与健康
日期：2023-02-21
前言
人体就像一个可移动的培养基，里面寄生着大量的微生物。这些微生物包括共生细菌和细菌病毒，共生菌是人体微生物群的主要组成部分，而细菌病毒则通常被称为噬菌体。这些微生物群并不孤立地存在人体内部，而是与机体相互作用，互利共生，形成了独特稳定的体内生态系统。越来越多的研究表明，这些寄居于人体内的微生物密切影响人体的健康状态。本文将主要探讨：噬菌体如何通过调节肠道细菌影响人体健康、治疗相关疾病？噬菌体如何影响人体免疫？人体免疫又如何影响噬菌体-细菌微生态？
1第一桶金，婴儿肠道噬菌体来自哪里？
肠道微生物群在维持机体健康状态方面发挥着不可或缺的作用。这些微生物群的主要功能是帮助机体消化吸收食物中的营养物质，同时与体内物质代谢，疾病发生及免疫系统的成熟等过程密切相关。以前对肠道微生物群的关注主要集中于肠道细菌，近年来的研究发现，噬菌体作为肠道微生物群中的重要组成部分，其增殖和分布与机体生命状态密切相关。
研究发现，在婴儿的胎粪中，几乎没有噬菌体的身影，或仅存在很少量的噬菌体颗粒。但在婴儿出生一个月后，噬菌体载量急剧增加到每克粪便109个。这就引发了科学家的好奇：这些噬菌体来自哪里？为此，研究者们收集了648份1岁儿童的粪便样本，从中分离出900株大肠埃希菌，发现超过60%的大肠埃希菌可自发释放出温和性噬菌体*，相比之下，仅不到四分之一的粪便样本中含有烈性噬菌体。这表明，婴儿肠道噬菌体最早来自于早期定殖在肠道中含有温和性噬菌体的细菌。
*温和性噬菌体（temperate phage）：既可以溶源性周期（lysogenic cycle）整合到细菌基因组中，也可以裂解性周期（lytic cycle）裂解细菌释放子代病毒颗粒。整合的噬菌体基因组随细菌复制而复制但并不产生子代颗粒，称为前噬菌体（prophage）。*烈性噬菌体（virulent phage）：只行使裂解性周期的噬菌体。
2越老越香，成人肠道噬菌体有何特征？
2014年，生物学家在人类肠道中发现了一类新型噬菌体，命名为crAss噬菌体。这是一个庞大且无处不在的噬菌体家族，存在于50%以上的人类个体中，且全球均有分布。crAss噬菌体主要感染肠道共生菌之一的拟杆菌，在某些个体中含量可高达肠道病毒总量的 90%以上。科学家们对10名健康成年人1年内的微生物组和病毒组进行宏基因组学研究发现，肠道病毒的含量高达每克粪便108~1010个，它们由超过39000种病毒组成。成人肠道中的病毒主要由crAss样噬菌体、微病毒科噬菌体以及少量高度特异性的病毒组成。且随着年龄的增长，肠道中噬菌体的多样性及丰度越来越高，crAss样噬菌体在晚年则占据了绝对优势。
3肠道疾病，噬菌体治疗是否可行？
噬菌体用于治疗人体多种疾病的潜力现已得到广泛认可。克罗恩病是一种典型的慢性肠炎，可反复引发肠道粘膜的炎症。尽管克罗恩病的确切病因尚不清楚，但有研究表明，该病患者的回肠粘膜上的优势病原体为一种粘附侵袭性大肠埃希菌(AIEC)。在一项动物模型研究中，AIEC肠道感染小鼠饲喂三株针对针对性烈性噬菌体后，小鼠粪便和肠道中AIEC数量显著减少。更重要的是，单剂噬菌体鸡尾酒足以在两周内减少结肠炎的发生，并能防止溃疡性结肠炎症状的恶化。
4酒精性肝炎，噬菌体也能治疗？
噬菌体靶向清除肠道内的病原菌不仅可治疗肠道疾病，也可用于预防或治疗肠道外的疾病。学者们发现酒精性肝炎与肠道内一种粪肠球菌的定殖呈正相关。该粪肠球菌可产生复合细胞溶解素，细胞溶解素在肠道中产生后会转移到肝脏，导致肝损伤、肝细胞死亡、肝功能下降，最终导致死亡率的增加。给粪肠球菌感染的小鼠模型饲喂针对性的烈性噬菌体后，该粪肠球菌在肠道内的定殖显著减少，从而细胞溶解素的产量减少，进而消除酒精引起的肝损伤、脂肪变和炎症(图1)。这表明肠道中噬菌体对细菌的调控可以对哺乳动物宿主产生全面的影响。
图1. 肠道中的噬菌体具有直接捕食靶细菌和影响非靶细菌双重效应。
5噬菌体捕食对肠道微生态有何影响？
最近一份研究发现噬菌体捕食不仅降低了肠道内靶细菌的相对丰度，还通过细菌间的相互作用导致非靶向细菌的变化，从而导致某些菌群数量的增加或减少。这些噬菌体介导的微生物群级联变化进一步调节肠道菌群的代谢活动，如减少神经递质(色胺酸和酪胺酸)的产生，增加某些氨基酸(丝氨酸和苏氨酸)的产量等(图1)。
6噬菌体对机体免疫系统有何作用？
噬菌体并不能感染真核细胞，但越来越多的研究表明噬菌体可调节哺乳动物的免疫应答。尤其在噬菌体和宿主细菌处于共生关系时，细菌甚至利用前噬菌体来改变哺乳动物的先天性免疫反应，促进细菌在体内的存活。近期有研究发现，铜绿假单胞菌中含有“Pf”前噬菌体的菌株感染更容易导致慢性、难以愈合的伤口。进一步研究发现Pf噬菌体被白细胞吞噬后噬菌体RNA会激活抗病毒的Toll样受体3 (TLR-3)介导的干扰素γ (IFN-γ)应答，从而抑制伤口环境中的肿瘤坏死因子TNF-α的产生(图2A)，导致白细胞吞噬作用减弱，难以清除伤口处的铜绿假单胞菌，从而引发持久、慢性的伤口感染。另外一项研究发现一种编码Ankyrin蛋白的噬菌体能通过诱导大肠埃希菌分泌ANK蛋白来下调巨噬细胞中TNF-α的水平，从而导致对大肠埃希菌的吞噬作用降低。噬菌体治疗疾病时，有时过量使用也会引起炎症反应。在一项噬菌体治疗粘附侵袭性大肠埃希菌(AIEC)相关结肠癌的小鼠模型研究中，科学家发现小鼠连续口服噬菌体鸡尾酒可减少肠内AIEC载量，下调与肿瘤生长和转移相关基因的表达，从而有效地防止AIEC引发的结肠癌。然而，当噬菌体使用过量时，肠道中大量聚集的噬菌体DNA可通过Toll样受体TLR-9相关分子通路激活IFN-γ，从而加重结肠炎的症状(图2B)。
图2. 噬菌体直接诱导的哺乳动物免疫反应。
7免疫系统对细菌-噬菌体组有何影响？
噬菌体及其宿主细菌会影响机体免疫系统，反之，机体的免疫反应也会影响细菌和噬菌体。鼠伤寒沙门菌基因组中通常含有前噬菌体，有些前噬菌体编码毒性基因，可增强宿主菌对肠道上皮细胞的侵袭并加剧机体的肠道炎症。研究者将含有和不含有前噬菌体SpoEø的沙门菌等量混合感染小鼠，发现共感染后含有SpoEø的溶源菌数量稳步增加，进一步研究表明鼠伤寒沙门菌引起肠道炎症的副产物会引发细菌应激反应，导致肠道中噬菌体SpoEø和溶源性转化的增加。为此，研究者们研发一款口服疫苗，小鼠接种疫苗后，诱发抗体IgA介导的免疫反应，从而有效防止沙门菌的入侵和和沙门菌SpoEø溶源转化，减少疾病发生和发展。上文提到含有Pf噬菌体的铜绿假单胞菌更容易造成慢性、难以愈合的伤口，科学家用Pf噬菌体的主衣壳蛋白来免疫小鼠以刺激小鼠产生体液免疫反应，结果使铜绿假单胞菌伤口感染的发生率降低了一半。研究者随后分离出针对Pf噬菌体主衣壳蛋白的单克隆抗体对小鼠进行治疗，也使症状得到了显著改善。这表明，通过揭示噬菌体在细菌疾病中的致病作用的关键因子，以其抗原表位为靶标开发的免疫策略可有效地防止疾病的发生。
最近有研究发现，肠道中的一种共生菌海氏肠球菌（Enterococcus hirae）含有一种前噬菌体，该噬菌体编码的TMP蛋白的一个主要表位与肿瘤的肽表位PSMB4高度类似，因此该细菌感染小鼠后可上调CD8+ T细胞的抗肿瘤免疫反应，且无论是用噬菌体TMP表位刺激树突状细胞，还是在大肠埃希菌表面表达该表位，都能够限制肿瘤的生长，提高免疫疗法的效果。进一步研究表明，该噬菌体还可整合入肠道中的另一种共生菌，鹑鸡肠球菌（Enterococcus gallinarum），提示该噬菌体可在肠道内广泛传播，鉴于肠道微生物群的多样性，或许还存在许多类似机制影响人类的健康状态。
展望
对噬菌体、细菌及宿主三者互作的深入研究，让我们对体内微生态各成分之间的相互影响有了更多深入的了解。展望未来，我们需要将患者微生物群的深度测序与肠道噬菌体生物学的实验室研究结合起来，以提高我们对机体微生态系统的理解。噬菌体疗法从曾经的边缘领域已经迅速发展到对抗抗生素耐药性感染的前线。然而，我们不能仅仅关注噬菌体直接的抗菌作用，而是应同时考虑噬菌体捕食对微生物组、代谢组和免疫系统的广泛影响。噬菌体、细菌和哺乳动物免疫系统的三方互作也需要多学科的研究来阐明。总而言之，我们正幸运地处在噬菌体生物学领域100多年历史中最激动人心的时期之一。
本文主要内容/引文/观点/图片来自综述论文：Rethinking phage-bacteria-eukaryotic relationships and their influence on human health. Cell Host & Microbe. 2021 May 12; 29(5): 681-688.
注：本文原载于“上海噬菌体与耐药研究所”微信公众号《专家讲坛》，作者：汤芳，副教授，南京农业大学。
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