Nature：科學家玩起搖滾，用重金屬精準編輯腸道菌群，治療結腸炎！

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Precisionediting of the gut microbiota amelioratescolitis

精準編輯腸道菌群可改善結腸炎!

文獻ID

期刊：NATURE

年份：2018

影響因子：40.137

作者：AndreasJ. B?umler Sebastian Winter

發表單位：Universityof Texas Southwestern Medical Center

關鍵詞：鎢酸鹽；結腸炎；Enterobacteriaceae；鉬-輔因子依賴性通路；菌群編輯

摘要

胃腸道炎症性疾病通常與腸道菌群紊亂有關，如兼性厭氧菌Enterobacteriaceae（變形菌門）的增長。該研究表明，鎢酸鹽治療可選擇性地抑制只在炎症發作時起作用的鉬-輔因子依賴性細菌呼吸通路，從而阻礙腸道炎症中Enterobacteriaceae的紊亂性擴張。而在穩態條件下，鎢酸鹽治療對腸道菌群只有極微小的影響。值得注意的是，鎢酸鹽介導的菌群編輯會降低小鼠結腸炎的嚴重程度。總之，鎢酸鹽治療可精準編輯腸道菌群的組成，從而改善發炎腸道中菌群組成紊亂的不良影響。

背景介紹

遺傳易感性小鼠紊亂的菌群可傳遞給下一代，其後代小鼠更易得腸道炎症。而鉬-輔因子依賴性代謝通路是炎症相關紊亂的標誌。鉬-輔因子依賴性厭氧呼吸酶及甲酸鹽脫氫酶各自都會促進Enterobacteriaceae的增殖。因此本文研究者假設，可基於鉬-輔因子依賴性過程研究編輯腸道菌群的方法，可能有助於改善菌群失調引起的粘膜炎症等不良反應。

主要內容

1.鎢酸鹽抑制鉬-輔因子依賴性厭氧呼吸

鎢（W）能夠替代鉬喋呤輔因子中的鉬，使Enterobacteriaceae中的該輔因子失活。在標準有氧實驗條件下補充鎢酸鈉，不會影響Enterobacteriaceae的生長，但會消除共生E.coli，Proteusspp.和Enterobactercloacae中厭氧硝酸還原酶的活性(Fig.1a–c)。

鉬-輔因子依賴性厭氧呼吸酶及甲酸鹽脫氫酶各自都會促進Enterobacteriaceae的增殖。在體外條件下，補充鎢酸鈉是否還會引起厭氧呼吸和甲酸鹽氧化促進Enterobacteriaceae生長的結果？研究者觀察野生型E.coli菌株（K-12和Nissle1917）以及等基因鉬-輔因子合成缺陷型E.coli（ΔmoaA）在補充了鎢酸鈉的粘蛋白培養基中的厭氧生長狀況。發現在硝酸鹽等電子受體，或甲酸鹽等電子供體存在時，野生型菌株的生長超過了等基因突變體，但添加鎢酸鹽後此種優勢即消失（Fig.1d, e）。

研究者進一步探究鎢酸鹽能否在哺乳動物腸道中抑制鉬-輔因子依賴性過程。用野生型E.coli K-12和ΔmoaA突變體的等量混合物口服餵養DSS（葡聚糖硫酸鈉，可誘導結腸炎）處理的小鼠以及mock（鎢酸鈉溶液）處理的小鼠。發現DSS小鼠中野生型E.coli K-12的生長超過了ΔmoaA突變體，補充鎢酸鈉後鉬-輔因子依賴酶的優勢作用消失，且E.coli K-12的數量降低了好幾個數量級（Fig.1f，g）。這些結果在人體E.coli菌株Nissle1917、小鼠E.cloacae菌株、IBD病人粘附侵襲性菌株AIECNRG857c、小鼠AIECNC101中均得到了驗證（Fig.1h-k）。

這些基於細菌生物模型的實驗結果表明，口服鎢酸鈉會抑制結腸炎小鼠模型中鉬-輔因子依賴性Enterobacteriaceae菌的過度增殖。

Figure1Effectof tungstate on molybdenumcofactor-dependentanaerobic respiration.

2.鎢酸鹽治療對腸道菌群組成和代謝的影響」

C57BL/6小鼠中自然包含內生性Enterobacteriaceae菌，用DSS，DSS加鎢酸鹽，單獨鎢酸鹽，或mock處理，採用宏基因組測序及16SrRNA測序分析各組小鼠的盲腸內容物DNA。發現腸道炎症伴隨著菌群的編碼能力的改變(Fig.2a)。另外，DSS處理小鼠中硝酸鹽呼吸、氧化三甲胺呼吸和甲酸鹽氧化等鉬-輔因子依賴性過程丰度過高，經鎢酸鈉灌胃後宏基因組中的這些改變消失，菌群組成由紊亂轉向正常狀態（Fig.2b-g）。而在沒有炎症的情況下，鎢酸鹽治療並不會影響編碼能力、多樣性、菌群結構或Enterobacteriaceae的數量（(Fig.2c, e, f）。

以上結果表明，鎢酸鹽抑制炎症相關的、由鉬-輔因子依賴性代謝通路驅動的菌群組成的改變，尤其抑制炎症相關Enterobacteriaceae種群的增殖。

Figure2Effectof tungstate treatment oncompositionof gut bacterial community andmetaboliclandscape.

3.鎢酸鹽治療對粘膜炎症的影響

研究者進一步探究DSS誘導的結腸炎小鼠模型中鎢酸鹽介導的菌群編輯對粘膜炎症的影響，包括病理學改變、結腸長度、促炎因子mRNA。發現鎢酸鹽能夠顯著降低腸粘膜中的炎性標記和病理學改變，恢復炎性結腸縮短，改善體重丟失（Fig.3a–c）。在piroxicam-acceleratedIl10?/?結腸炎小鼠模型中也得到了類似的結果(Fig.3d–g)。表明鎢介導的腸道菌群的改變可能會改善腸道炎症。

鎢酸鹽是否直接對宿主免疫系統發揮作用引起抗炎效應？研究者以DSS，或DSS加鎢酸鹽處理C57BL/6小鼠。發現鎢酸鹽不影響無菌DSS小鼠的炎症反應，表明鎢酸鹽是通過編輯腸道菌群來抑制小鼠腸道炎症的（Fig.3a–c）。

討論

腸道菌群的失調與許多人體疾病有關，但是當前的方法無法在原位調整並平衡腸道菌群，廣譜抗生素會不加區別地降低有害和有益微生物的數量。共生Enterobacteriaceae可以通過競爭營養物質抵抗病原體在腸道的定植，如口服E.coli Nissle1917益生菌可緩解潰瘍性結腸炎，其產生的小菌素還可以抑制病原菌的生長。因此，更好的方式是控制共生Enterobacteriaceae的種群大小，而不是將它們一網打盡。

鎢酸鹽就可以達到這種目的。它能選擇性地控制依賴鉬-輔因子過程的Enterobacteriaceae紊亂菌群大小，發揮治療作用，而不影響穩態條件下的Enterobacteriaceae。但該研究只是小鼠模型中的結果，且樣本量很少，每組只有幾隻到十幾隻小鼠。將鎢酸鹽治療應用於人體還需要更多的探索。