Cell｜构建大规模基因组资源，破解短双歧杆菌定植密码

原创 617 BioArt 2025年03月23日 09:21

撰文 | 617

双歧杆菌是婴儿时期人类肠道微生物群的主要成员，其与宿主营养、免疫发育和抵抗感染紧密相关。尽管当前有许多人正在积极尝试利用双歧杆菌开发活菌药，但是我们对双歧杆菌的定植、宿主-双歧杆菌互作和其对健康的促进作用仍知之甚少。正如其他许多微生物组成员一样，双歧杆菌与宿主之间的互作往往是物种甚至菌株特异性的，因此必须了解不同双歧杆菌的遗传学和生理学，为开发新一代活菌药物提供理论基础。

近日，斯坦福大学Kerwyn Casey Huang团队在Cell杂志发表题为Genome-scale resources in the infant gut symbiont Bifidobacterium breve reveal genetic determinants of colonization and host-microbe interactions的文章。该研究通过构建短双歧杆菌（Bb）突变体文库，揭示了Bb的定植机制和与宿主的相互作用，为深入了解Bb的功能机制和开发干预手段提供了宝贵资源。

Bb富集于工业化国家的婴儿体内，能够利用低聚母乳糖（HMO），并且能产生与健康紧密相关的吲哚-3-乳酸（ILA）和共轭亚油酸。此前的研究表明，Bb UCC2003菌株能够高效地产生转座子插入文库。因此作者选择研究该菌株。

随机条形码转座子突变体文库是研究微生物基因功能的强大工具，目前已被成功应用于多种人类肠道共生菌。作者使用该方法构建了一个UCC2003的高密度转座子插入文库，覆盖23万个插入位点。

基于该转座子插入文库以及先前使用TraDIS方法构建的较小转座子文库，作者整合两个突变体文库，确定了Bb的406个必需基因。与大肠杆菌K-12、艰难梭菌R2091和多形拟杆菌VPI-5482（Bt）的必需基因比较，发现其中的104个基因是Bb独有或其他物种非必需的，主要与碳代谢有关。上述必需基因可以为干预期间调节双歧杆菌水平提供有用的药物靶点，并有助于预测双歧杆菌的潜在药物-微生物互作。

随后作者测试了突变体在不同条件下的适应度（通过相对丰度衡量），构建适应度数据集。作者共设置了368种条件，包括抗生素、营养素缺失、碳水化合物来源以及与宿主定植相关的环境变量（如温度和渗透压）。同时还利用采取不同饮食模式的悉生宿主（小鼠和鸡），测试突变体定植情况。结果表明，该突变体库不仅能够复现此前已知的突变表型，同时能够扩展先前的研究成果，提供各种条件更完整的途径。

进一步，作者基于突变体库分离并建立了覆盖1462个Bb基因（覆盖84%的非必需基因）的单插入菌株集合，即有序插入突变菌株集合。

基于上述资源，作者深入探究了特定Bb基因的功能。

基因组规模的代谢模型是微生物功能和代谢研究的有力工具。作者重建了Bb的基因组规模代谢模型iBbr401，该模型包含至少与1个基因相关的440个反应，其中有290个基因得到了适应度数据集的支持。此外，适应度数据集还揭示了一些意料之外的调控，包括氨基酸合成调控、营养物质可用性变化的适应策略、营养运势的潜在限制等。如，适应度数据集表明，负责催化芳香族氨基酸生物合成第一步的两种同工酶Bbr_1687 和 Bbr_1688中的后者可能会对苯丙氨酸水平产生响应，提示存在反馈抑制机制。上述结果表明，适应度数据集除了能够为计算注释提供实验支持外，还能够帮助我们挖掘阐明Bb基因的功能。

随后，作者剖析了影响Bb定植的决定性因素。多糖利用偏好被认为是决定肠道微生物组成员生态位的关键营养因素。因此作者探究了碳水化合物活性酶基因对适应度的影响。结果发现，Bb通过特定的碳水化合物利用能力实现肠道持久定植。其中，棉子糖家族低聚糖（RFO）发挥着独特作用，支持Bb在成年肠道中的定植。Bb可以有效地与Bt竞争饮食中可用的RFP，从而支持其在群落中更好地生存。

双歧杆菌在生命最初几周内生长并占据肠道，但通常会跟随一系列早期定植者定植，这些于早期定植的微生物被认为是先驱物种。因此，作者探究了定植顺序建立以及先驱物种影响后续群落建立的潜在机制。结果表明，在早期定植阶段，Bb易受葡萄糖-磷酸盐应激的影响，对葡萄糖敏感。而当Bt预先定植时，可以有效缓解早期定植阶段葡萄糖对Bb的抑制作用。上述结果表明，先驱物种会通过调节营养环境来干预定植顺序，影响肠道群落的后续建立。

接着，作者探究了Bb细胞形状与适应性间的关系。结果发现，在营养完全、丰富的培养基中，野生型细胞大多呈杆状，而在次丰富和缺乏氨基酸的培养基中，更容易出现Y型细胞形态。相较于杆状形态，Y型的双歧形态与肽聚糖的特定化学修饰密切相关，且该形态的形成与细胞壁缺陷无关。此外，结果还显示Y型细胞形态在代谢压力下呈现适应性劣势。上述结果表明，双歧杆菌的Y型形态可能反映出微生物对环境的特殊营养需求，而非一种进化策略。

最后，作者研究了Bb的免疫调节作用与其适应性之间的关系。作者发现，Bb产生芳香族乳酸的代谢途径参与维持细菌自身氧化还原平衡，对Bb的生长具有重要意义，而能够调节宿主免疫的芳香族乳酸是这一途径的副产物。