TcdA

引言在我们每个人的肠道里，都居住着一个庞大而神秘的“微型王国”——数以万亿计的微生物。它们不仅是匆匆过客，更像是与我们共生的“常住居民”，深刻影响着我们的消化、免疫甚至情绪健康。然而，你是否曾好奇，面对肠道内复杂多变、竞争激烈的环境，这些微小的“房客”们究竟是如何成功“安家落户”并长期“定居”下来的？它们体内是否隐藏着某种神秘的“定居密码”或“生存秘籍”？长期以来，研究人员一直在努力探索这个被称为“肠道定植 (Colonization)”的过程背后的遗传奥秘。理解这一过程，对于我们认识肠道菌群失调 (Dysbiosis) 如何引发疾病，以及如何开发出更有效的益生菌或活体生物药 (LBPs) 来守护健康至关重要。然而，由于肠道微生物种类极其繁多、许多成员难以在实验室培养、且大量基因功能未知，破译这套“定居密码”异常困难。4月4日一项发表在《Cell》上的突破性研究“Conserved genetic basis for microbial colonization of the gut”，为我们揭开了冰山一角！研究人员以前所未有的宏大视角，跨越“生命之树 (Tree-of-Life)”，通过比较来自全球不同生境（肠道、土壤、水体等）的近万种微生物的基因组，运用强大的计算生物学方法，成功“揪出”了79种在不同肠道微生物中普遍存在的、与定居能力密切相关的保守“定植因子 (Colonization Factors, CFs)”。更令人惊讶的是，研究不仅发现了全新的定植相关通路——特别是那些与蛋白质合成调控（如tRNA修饰和翻译）相关的因子，还验证了它们的强大功能：明星基因 YigZ 不仅是必需的，其微小的等位基因变异 (Allelic Variation) 就能显著影响定植效率，甚至仅仅将其过量表达，就能让一种原本难以定居的大肠杆菌 (E. coli) 的定植能力飙升超过100倍！这项研究如同一把钥匙，正为我们解锁亿万微生物在肠道江湖中的生存秘籍，也为未来精准调控肠道微生态、开发新型健康干预手段带来了无限可能。我们的肠道“房客”从何而来？解密亿万微生物的定居难题我们的肠道里面居住着数以万亿计的微生物。它们不仅仅是匆匆过客，很多都是长期定居于此的“原住民”。这些原住民构成了一个复杂而动态的生态系统，也就是我们常说的肠道微生物组。它们不是白吃白住的，相反，它们为我们做了很多“贡献”，比如帮助消化我们难以分解的食物纤维，合成必需的维生素，训练我们的免疫系统，甚至通过“肠-脑轴”（Gut-Brain Axis）影响我们的心情和行为。然而，这个“大都市”的环境并非一成不变，它充满了挑战。食物的种类、我们服用的药物、身体的健康状况，甚至情绪波动，都在不断改变着肠道的环境。对于新来的微生物来说，想要在这里站稳脚跟，成功“定居”，绝非易事。它们需要适应肠道内独特的化学环境（比如缺氧、不同的酸碱度），要能获取到必需的营养，还要与成千上万的原住民同伴竞争生存空间和资源，同时还得巧妙地与我们人体的免疫系统“和平共处”。那么，到底是什么决定了哪些微生物能成为“常住民”，而哪些只能是“匆匆过客”呢？答案很可能就隐藏在它们的基因里。就像人类拥有不同的天赋和技能一样，微生物也拥有各自独特的基因“工具箱”。某些基因可能赋予了它们在肠道这个特定环境中生存、繁殖和扎根的特殊能力。这些基因，我们称之为“定植因子”（Colonization Factors, CFs）。找到这些关键的CFs，对于理解肠道微生态的构建和稳定至关重要。如果我们知道了哪些基因是定植的“钥匙”，我们就能：理解失调根源：更好地理解在某些疾病状态下（如炎症性肠病、肥胖、甚至某些精神疾病），肠道菌群为什么会发生失调（Dysbiosis）。是不是某些关键的定植因子丢失了，或者是功能异常了？开发精准疗法：设计出更有效的益生菌或活体生物药（LBPs）。比如，我们可以挑选那些天生就携带强大定植基因的菌株，或者通过基因工程（Genetic Engineering）的手段，为有益菌装上这些“定植武器”，让它们更容易在患者肠道内“安家”，从而发挥治疗作用。然而，正如前面提到的，寻找这些CFs困难重重。困难主要来自以下几个方面：物种多样性：肠道微生物种类实在太多了，不同物种间的基因差异巨大。基因未知性：即使我们测出了微生物的全部基因序列，其中仍有大量基因的功能是未知的（Proteins of Unknown Function）。培养局限性：很多重要的肠道微生物在实验室条件下根本无法培养，这使得传统的实验研究方法受到很大限制。分析复杂性：比较成千上万种微生物的数百万个基因，需要极其强大的计算能力和创新的分析策略。面对这些挑战，传统的、局限于少数几种模式生物或近缘物种比较的研究方法，显然难以揭示普遍存在的、跨物种的定植规律。我们需要一种更大规模、更系统化的方法。跨越生命之树：大数据如何“揪出”肠道定植的幕后功臣？为了克服传统方法的局限性，研究人员采取了一种极具开创性的策略：进行“生命之树尺度”（Tree-of-Life Scale）的基因型-栖息地关联分析（Genotype-Habitat Association）。听起来很复杂？别担心，我们把它拆解开来看。核心思想其实很简单，就是“对比寻踪”。既然肠道微生物能在肠道里成功定居，而生活在土壤、海洋等其他环境里的微生物通常不能，那么，肠道微生物的基因组里，一定普遍存在着一些环境微生物所没有的，或者非常稀有的基因。这些独特的基因，很可能就是帮助它们适应肠道环境、成功定植的关键因子（CFs）。为了实现这个“大对比”，研究人员首先建立了一个庞大的基因组数据库。他们从全球公开的数据库中，收集了海量的微生物基因组数据，这些数据来源于各种各样的栖息地（Habitats），包括：哺乳动物肠道：人类肠道（Human Gut）、小鼠肠道（Murine Gut）。这里面既包括了可以通过实验室培养获得的“培养依赖型”菌株（Culture-Dependent Isolates），也包括了通过宏基因组学技术直接从肠道样本中拼接出来的，很多是无法培养的“培养非依赖型”基因组（Metagenome-Assembled Genomes, MAGs）。MAGs的纳入尤其重要，因为它极大地扩展了我们能研究的微生物范围。其他环境：水体（Aquatic）、土壤（Terrestrial）等。这个原始数据库包含了超过20万个基因组！为了让分析更高效，同时保证物种的多样性，研究人员精心筛选，最终选定了约9500个高质量的代表性基因组（Representative Genomes）。这9500个基因组，涵盖了数千个不同的微生物物种，就像是绘制了一幅跨越细菌和古菌两大生命领域的“微生物地图”。它们总共包含了大约2900万个蛋白质编码基因！接下来，就是关键的“对比”环节。研究人员需要比较这近3000万个蛋白质，找出哪些蛋白质（或者说编码它们的基因）在肠道微生物中“富集”（Enriched），而在环境微生物中“稀缺”。这听起来像是在大海捞针，而且还要在几千个“大海”（不同物种）里同时捞！为了精确地识别跨越遥远物种的同源蛋白质（Homologous Proteins，即功能相似、来源可能相同的蛋白质），研究团队采用了先进的、基于序列比对（Alignment-Based Method）的计算方法，而不是简单的基于相似度聚类。他们开发并优化了计算流程，确保既快又准。他们将每个蛋白质在所有9500个基因组中的存在与否（Presence/Absence）记录下来，形成了一个庞大的“0/1”矩阵，称为系统发育谱（Phylogenetic Profile, PP）。每一行代表一个蛋白质，每一列代表一个基因组，“1”表示存在，“0”表示不存在。有了这个PP矩阵，研究人员就可以利用一种叫做“互信息”（Mutual Information, MI）的统计学方法，来衡量每个蛋白质的PP与其对应基因组的来源地（肠道 vs. 环境）之间的关联强度。简单来说，如果一个蛋白质的PP模式能很好地“预测”这个基因组是来自肠道还是环境，那么这个蛋白质的MI值就高，说明它很可能与肠道定植有关。为了更可靠地评估关联强度，他们还将MI值转换成了MI Z-score，通过与随机情况下的得分进行比较，来判断这种关联是否显著。通过这套强大的分析流程，研究团队从三个不同的数据集（人肠道MAGs、鼠肠道MAGs、人肠道分离株）中，筛选出了数万个与肠道定植显著相关的蛋白质。令人兴奋的是，当他们将这些蛋白质根据序列相似性进行归类时，发现它们竟然可以被合并成仅仅82个蛋白质家族（Protein Families）！这意味着，尽管肠道微生物种类繁多，但它们可能依赖着一套相对保守的、数量有限的核心“定植工具”。经过进一步的精确比对和统计学评估，最终，研究人员确定了 79个 高度保守的、与哺乳动物肠道定植显著相关的蛋白质家族。这79个家族，就是他们找到的第一批候选的“定植因子”（putative CFs）！这个发现本身就极其重要，它告诉我们，在看似混乱无序的微生物世界里，存在着共通的生存法则和遗传基础。79个“定居基因”浮出水面：从能量代谢到神秘的tRNA修饰找到了这79个候选的“定植基因”（CFs），研究人员的好奇心被进一步点燃。这些基因到底负责什么功能？它们是各自为战，还是协同作战？为了回答这些问题，研究团队首先分析了这79个CFs在不同微生物类群中的分布规律。他们发现：跨宿主保守性：其中有37个CFs在人类肠道菌、小鼠肠道菌以及可培养和不可培养的菌中都显著富集。这表明，许多定植机制在不同宿主（人和鼠）以及不同类型的微生物（易培养和难培养）之间是共通的、保守的。人类特异性：有9个CFs似乎是人类肠道微生物所特有的，暗示了可能存在一些针对人类肠道环境的特殊适应机制。培养依赖性差异：一些CFs在分离株（Isolates）中更常见，另一些则在MAGs中更常见，提示某些定植策略可能与微生物的可培养性有关。更有趣的是，研究人员发现这79个CFs并非“一盘散沙”。它们在不同的基因组里，经常“抱团”出现。就像一个公司里，完成一项复杂任务需要不同部门的员工协作一样，这些CFs似乎也倾向于形成功能相关的“团队”。研究团队利用一种基于“跨物种共遗传”（Cross-Species Co-inheritance）模式的分析方法——简单说，就是看哪些基因总是在不同的物种里“同生共死”——成功地将这79个CFs划分成了 47个 定植模块（Colonization Modules, CMs）。这些CMs包含了 23个 由多个CF组成的“复合模块”（multi-CF CMs） 和 24个 只包含单个CF的“独立模块”（single-CF CMs）。那么，这些模块都负责哪些生物学功能呢？通过对已知数据库（如BioCyc, UniRef）进行功能注释（Functional Annotation），研究人员发现，这些CMs涵盖了多种多样的生物学过程：已知的定植机制：代谢特长（Metabolic Niche）：一些CMs参与了特殊的代谢途径，比如利用肠道中特有的营养物质。例如，CM1编码了厌氧核糖核苷酸还原酶（Anaerobic Ribonucleoside-Triphosphate Reductase, RNR），这对于在肠道缺氧环境下进行DNA复制至关重要。还有模块参与了短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid, SCFA）的代谢（如CM18，涉及乙酸和丁酸发酵），SCFA是肠道中的重要能量来源和信号分子。群体感应（Quorum Sensing）：CM11包含了编码自诱导物-2（Autoinducer-2, AI-2）合成关键酶（Pfs和LuxS）的基因。AI-2是一种重要的细菌“通讯语言”，可以调节细菌的群体行为，已知与某些细菌的肠道定植有关。糖转运系统（PTS Systems）：一些CFs属于磷酸转移酶系统（Phosphotransferase System, PTS），这是细菌摄取糖类的重要途径，对于在营养竞争激烈的肠道中获取碳源至关重要。新颖的潜在定植机制：tRNA修饰和翻译（tRNA Modification and Translation）：令人惊讶的是，许多得分最高、与肠道定植关联最强的CMs，都与蛋白质合成过程中的tRNA（转运RNA）修饰和翻译调控有关！例如，CM2包含两个tRNA修饰酶（CF15, CF22）；CM12包含一个重要的IMPACT家族蛋白YigZ（CF9）和一个GTP结合蛋白YihA（CF69），两者都与核糖体功能和翻译调控有关；CF7（YbaK）则是一种tRNA脱酰基酶。这强烈暗示，精确调控蛋白质的合成（可能是在速度、保真度或特定种类的蛋白质合成上），对于适应复杂的肠道环境可能至关重要。这为肠道定植的研究开辟了一个全新的方向。未知功能模块：还有一些CMs，比如CM6，其包含的基因功能目前完全未知（Proteins of Unknown Function），或者只知道它们包含一些保守但功能不明的结构域（Domain of Unknown Function, DUF）。这些神秘的模块无疑是未来研究的“富矿”，可能隐藏着全新的定植机制。此外，研究还发现，即使是同一个功能模块（比如SCFA代谢的CM18），在不同的物种（如大肠杆菌 E. coli 和艰难梭菌 C. difficile）中，其内部的基因可能会发生复制（Duplication）或者演化出略有不同的版本。这表明，虽然核心的定植策略是保守的，但不同物种在具体执行这些策略时，可能存在各自的“微调”和偏好。总而言之，通过这种大规模的比较基因组学分析，研究人员不仅识别出了一批与肠道定植相关的核心基因（CFs）及其组成的模块（CMs），还揭示了这些模块涉及的广泛生物学功能，既印证了已知的定植机制，更重要的是，指出了许多前所未知的、特别是与翻译调控相关的潜在新机制。但这还只是“纸上谈兵”，这些预测出的CFs和CMs在真实的肠道环境中，真的起作用吗？明星基因YigZ横空出世：竟能让“肠道过客”变“常住民”？为了验证他们找到的CFs是否真的影响肠道定植，研究团队将目光投向了那些与翻译相关的、得分最高的CFs。他们选择了一个模式生物——大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）——来进行体内功能验证（In Vivo Functional Validation）。为什么选择大肠杆菌？因为它有不同的菌株（Strains），在肠道定植能力上表现出巨大差异。比如，实验室常用的MG1655（K12）菌株，就像一个“温室里的花朵”，在小鼠肠道里的定植能力非常弱，很快就会被清除掉，是个“匆匆过客”。而另一种从健康小鼠肠道分离出来的MP1菌株，则是个“定居高手”，能在小鼠肠道内长期、稳定地存在。这种天然的差异为研究定植基因的功能提供了绝佳的模型。研究团队从与翻译相关的CFs中，挑选了四个在所有三个数据集（人肠道MAGs、鼠肠道MAGs、人肠道分离株）中都显著富集，并且在大肠杆菌中存在、非必需（可以在实验室敲除）的基因进行研究。它们分别是：yigZ (CF9), trhP (CF15), tcdA (CF22), 和 ybaK (CF7)。他们首先进行了“功能丧失”（Loss-of-Function, LoF）实验。他们利用基因编辑技术，在定植能力强的MP1菌株（准确地说是其带荧光标记的衍生株MP13）中，分别敲除了这四个基因中的一个。然后，他们将这些基因敲除（Knockout）的MP13菌株，与带有不同荧光标记的野生型（Wild-Type, WT）MP7菌株（MP1的另一个衍生株，定植能力与MP13 WT相当）混合在一起，以1:1的比例，通过口服管饲（Oral Gavage）的方式喂给经过抗生素（链霉素）预处理的小鼠。抗生素预处理可以清除小鼠肠道内原有的部分细菌，为外来的大肠杆菌“腾出空间”，便于观察定植情况。接下来几天，研究人员收集小鼠的粪便样本，通过计算粪便中两种不同颜色荧光（代表两种菌株）的菌落数量，来比较基因敲除株相对于野生株的竞争能力（Competition Index）。结果非常显著：YigZ和TrhP是必需的：敲除了 yigZ 或 trhP 基因的MP13菌株，其在小鼠肠道中的数量相对于野生型MP7显著下降！这表明，YigZ蛋白和TrhP蛋白对于MP1菌株在小鼠肠道内的成功定植是必需的（Required）。缺少了它们，这位“定居高手”也变得步履维艰。值得注意的是，这两种敲除株在实验室的培养基里生长速度与野生型并无差异，说明它们的定植缺陷是在肠道这个特定环境里才表现出来的。TcdA和YbaK效果不一：敲除 tcdA 或 ybaK 的菌株，其定植能力在不同小鼠个体间差异较大，整体效果不如前两者明确。ybak 敲除株甚至在某些小鼠的后期粪便中出现了形态异常的菌落，暗示可能发生了补偿性突变（Compensatory Mutations）。LoF实验证明了YigZ和TrhP的必要性，那么，它们是否也具有“充分性”（Sufficiency）呢？也就是说，如果把这些“定居高手”（MP1）的基因，装到“定居菜鸟”（MG1655）身上，能不能提升它的定居能力？于是，研究团队进行了“功能获得”（Gain-of-Function, GoF）实验。他们将来自MP1菌株的 yigZ, trhP, tcdA, ybaK 这四个基因（连同它们各自的启动子，Promoter，即调控基因表达的开关），分别克隆到可以低拷贝数（Low Copy Number, 约5个拷贝/细胞）存在的质粒（Plasmid）上。然后，将这些包含单个基因或四个基因组合的GoF质粒，以及一个不含任何目标基因的空质粒（作为对照，Control），分别转入到定植能力弱的MG1655菌株中。为了能同时追踪多个菌株在同一只小鼠体内的定植情况，他们还巧妙地为每个MG1655菌株都打上了一个独特的DNA条形码（Genomic Barcode），这样通过高通量测序就能精确计算每种菌株的相对丰度。他们将这6种携带不同质粒的、带有条码的MG1655菌株混合在一起，喂给抗生素预处理的小鼠。然后在接下来的几天里，收集粪便样本，提取DNA，通过测序分析不同条码的丰度变化。结果再次令人震惊：YigZ威力惊人：仅仅是在MG1655中过表达（Overexpressing）来自MP1的 yigZ 基因（拷贝数从1增加到约5个），就在喂食后的第3天，使其肠道定植水平相对于对照菌株提高了超过300倍！喂食后第2天也提高了100多倍！这简直是赋予了“定居菜鸟”超能力，让它摇身一变成为了“定居小能手”。这强有力地证明了，YigZ不仅是必要的，而且在一定程度上是充分的，是名副其实的“明星定植基因”。组合效果与TcdA的抑制：携带四个基因组合质粒的菌株，定植能力也显著增强（第3天约提高76倍），但效果不如单独过表达YigZ。有趣的是，单独过表达 tcdA 的菌株，其定植能力反而略有下降。这表明，不同的定植基因之间可能存在复杂的相互作用，并非简单的1+1=2。体外无优势：研究人员还测试了这些GoF菌株在实验室培养基里的竞争能力，发现过表达YigZ的菌株并没有生长优势，甚至略有劣势。这再次证明，YigZ带来的定植优势是肠道环境特异性的。这些体内实验证明了通过大规模比较基因组学预测出的定植因子，确实在真实的肠道定植中发挥着关键作用。特别是YigZ，其强大的定植增强效果，为未来改造益生菌提供了极具潜力的靶点。同名不同命：基因的“细微差别”如何决定定居成败？通过前面的实验，我们已经知道，拥有像YigZ这样的关键基因，对于肠道定植至关重要。但是，故事到这里还没结束。研究人员在研究中发现了一个更有趣的现象：即使是同一个基因，在不同的菌株里，也可能存在细微的差别。这种差别，会不会也影响定植能力呢？研究团队在比较不同大肠杆菌菌株（包括定植能力强的MP1、Nissle和定植能力弱的MG1655）的基因序列时，发现在他们重点研究的四个基因（yigZ, trhP, tcdA, ybak）中，定植能力强的菌株版本都与MG1655的版本存在氨基酸序列上的差异（Amino Acid Substitutions）。以“明星基因”YigZ为例。研究人员对近3000个自然存在的大肠杆菌分离株的YigZ蛋白序列进行了深入分析，发现在第25位和第146位氨基酸上，存在着频繁的变异。具体来说，定植能力弱的MG1655（K12）菌株，其YigZ蛋白在这两个位置分别是甲硫氨酸（Methionine, M）和组氨酸（Histidine, H），我们称之为YigZ-K12。而定植能力强的MP1菌株，其对应的位置则是亮氨酸（Leucine, L）和丝氨酸（Serine, S），我们称之为YigZ-MP1。这两个氨基酸残基分别位于YigZ蛋白的N端IMPACT结构域和C端类EF-G结构域，这两个结构域都高度保守且功能重要。这种氨基酸上的细微差别，会影响YigZ蛋白的功能，进而影响定植能力吗？为了验证这一点，研究人员分别克隆了MG1655的 yigZ 基因（编码YigZ-K12）和MP1的 yigZ 基因（编码YigZ-MP1），包括它们各自的启动子（Promoter）区域。然后，他们将启动子和编码区进行“排列组合”，构建了四种不同的GoF质粒，并转入到带有条码的MG1655菌株中：P-MP1-YigZ-MP1 （启动子和基因都来自MP1）P-K12-YigZ-MP1 （启动子来自K12，基因来自MP1）P-MP1-YigZ-K12 （启动子来自MP1，基因来自K12）P-K12-YigZ-K12 （启动子和基因都来自K12）他们将这四种菌株，连同携带空质粒的对照菌株，混合后喂给小鼠，并在第3天检测各种条码的丰度。结果揭示了等位基因变异（Allelic Variation）的重要性：MP1版本更胜一筹：表达YigZ-MP1的菌株（无论启动子是哪个版本），其定植能力都显著高于表达YigZ-K12的菌株。其中，P-MP1-YigZ-MP1组合的效果最好，比对照提高了约157倍，而P-K12-YigZ-K12组合只提高了约35倍。这表明，YigZ蛋白本身的序列差异（M25L, H146S）确实导致了功能上的差异，MP1版本的YigZ赋予了更强的定植优势。启动子也有影响：比较P-MP1-YigZ-MP1（157X）和P-K12-YigZ-MP1（88X），以及P-MP1-YigZ-K12（50X）和P-K12-YigZ-K12（35X），可以看出，来自MP1的启动子似乎也能提供额外的定植加成。启动子控制着基因的表达量，这说明基因表达水平的调控对于定植也很重要。这个结果非常重要。它告诉我们，不能仅仅看一个基因是否存在，还要看它具体是哪个“版本”（等位基因，Allele）。这种等位基因水平的差异，可能是导致不同菌株（即使是同一物种）定植能力千差万别的关键原因之一。研究团队还进一步分析了更大范围的人类肠道和环境来源的大肠杆菌分离株。他们发现，具有更强定植能力的YigZ-MP1版本（即M25L+H146S双重突变），在人类相关的大肠杆菌中出现的频率，显著高于环境来源的大肠杆菌。这从生态学角度进一步印证了YigZ-MP1等位基因在适应人体肠道环境中的优势。从实验室到临床：这些“定居基因”将如何改变益生菌和肠道健康？这项研究的发现，不仅仅是增加了我们对微生物世界的理解，更重要的是，它为改善人类健康带来了实实在在的潜力。这些被解码的“定居基因”（CFs）和它们组成的模块（CMs），将可能在以下几个方面发挥重要作用：深入理解肠道稳态与失调：我们知道了肠道微生物定植依赖于一套保守的遗传基础，包括能量代谢、群体感应，以及新发现的翻译调控等。这为我们理解健康的肠道微生态是如何建立和维持的提供了新的线索。反之，当这些关键的CFs或CMs功能异常或缺失时，就可能导致菌群失调（Dysbiosis）。未来，通过检测特定人群肠道菌群中这些CFs/CMs的组成和功能状态，或许能更早期、更准确地诊断或预测与菌群失调相关的疾病（如炎症性肠病、代谢综合征等）。开发“超级定植”益生菌：目前市面上的许多益生菌产品，虽然含有有益菌，但它们在人体肠道内的定植效率往往不高，很多只是“匆匆过客”，难以发挥持久的功效。这项研究为解决这个问题提供了新的思路。精准筛选：我们可以根据CFs/CMs的谱系，从自然界中筛选那些天生就携带强大定植基因组合的“超级菌株”，作为下一代益生菌的候选者。基因工程改造：更具潜力的是，我们可以利用合成生物学（Synthetic Biology）的工具，对现有的、安全性已知的益生菌进行基因改造。就像该研究中，仅仅过表达YigZ就能让MG1655的定植能力提升百倍以上。未来，或许可以通过优化YigZ的表达，甚至组合多个关键CFs，来设计出具有超强定植能力的“工程益生菌”（Engineered Probiotics）。这些经过改造的益生菌能更有效地在患者肠道内“安营扎寨”，从而更稳定、更持久地发挥益生作用，比如持续产生某种治疗性分子，或者竞争性地抑制有害菌的生长。最近已有临床试验证明，活体生物药（LBPs）的临床疗效与其在患者肠道内的定植成功率密切相关，这更凸显了增强定植能力的重要性。推动微生物组研究方法学：这项研究的成功，也凸显了大规模、跨物种比较基因组学方法的强大威力。研究发现，许多重要的CFs/CMs在同一个物种内部，往往呈现出“要么普遍存在，要么普遍缺失”的两极分化模式（Bimodal Distribution）。这意味着，如果只比较同一物种内几个关系密切的菌株（比如比较两种不同的大肠杆菌），很可能因为它们都拥有或都缺少某个关键的定植基因，而无法发现这个基因的重要性。只有将视野扩大到“生命之树”的尺度，跨越物种的界限，与来自不同环境的微生物进行广泛比较，才能有效地“揪出”这些保守的、决定生境适应性的遗传因子。这种“生命之树尺度”的基因型-栖息地关联分析策略，无疑为未来研究微生物适应性、功能基因挖掘等领域提供了强大的新范式。关注翻译调控的新视角：研究中一个特别引人注目的发现是，多个与tRNA修饰和翻译过程相关的基因（如TrhP, YigZ, YbaK, TcdA等）被鉴定为重要的定植因子。这提示我们，除了传统的代谢和信号传导通路外，蛋白质合成的精确调控（可能涉及合成速度、准确性、或者特定蛋白质的优先合成）在微生物适应复杂多变的肠道环境过程中，扮演着远比我们之前想象的更重要的角色。YigZ所属的IMPACT蛋白家族，在从酵母到人类的生物中都存在，并参与调控重要的应激反应通路，这更增加了它的神秘色彩和研究价值。未来对这些翻译相关CFs功能机制的深入探索，必将为我们理解微生物生存策略带来全新的认识。肠道江湖：解码微生物定居的征途才刚刚开始这项研究无疑是肠道微生物组领域的一项里程碑式的工作。它如同一把钥匙，为我们打开了理解微生物肠道定植遗传基础的大门。通过跨越生命之树的大规模数据挖掘和严谨的实验验证，研究不仅揭示了肠道微生物定植存在着一套保守的遗传机制，发现了包括YigZ和TrhP在内的关键定植因子，还强调了翻译调控和等位基因变异在其中的重要作用。这项工作展示了一个强大的“混合框架”（Hybrid Framework），它完美地结合了大规模计算分析的广度和深度，以及小鼠模型体内验证的精确性和可靠性，为功能性微生物组研究（Functional Microbiome Research）树立了新的标杆。当然，科学的探索永无止境。这项研究虽然取得了重大突破，但也为未来的研究留下了更多的问题和方向：功能机制的深入解析：对于新发现的定植因子，特别是像YigZ这样功能强大的分子，它们具体是如何通过影响翻译或其他过程来促进定植的？其详细的分子机制仍有待阐明。解析它们的蛋白质结构，或许能提供重要的线索。更多CFs/CMs的验证：研究中发现了79个CFs和47个CMs，目前只验证了其中与翻译相关的少数几个。未来需要对更多的候选因子进行功能验证，特别是那些功能未知的神秘基因。组合效应的研究：定植是一个复杂的过程，很可能需要多个CFs/CMs协同作用。未来研究需要探索不同CFs/CMs组合使用的效果，以及它们在定植的不同阶段（如早期播种、中期扩张、长期竞争）可能扮演的不同角色。例如，过表达YigZ虽然能极大增强MG1655的早期定植，但长期维持效果似乎有限，这表明长期定居可能还需要其他辅助基因的配合。宿主因素的考量：这项研究主要聚焦于微生物自身的遗传因素。但我们知道，宿主的遗传背景、饮食习惯、免疫状态等也会深刻影响微生物的定植。未来需要将宿主因素纳入考虑，研究菌-宿互作（Host-Microbe Interaction）在定植过程中的具体机制。更广泛物种和环境的探索：目前的研究主要基于人类和小鼠的肠道微生物。将研究范围扩大到更多种类的哺乳动物，甚至其他动物，可能会发现更多样化、更特异性的定植策略。同时，对栖息地的定义也可以更精细化，而不仅仅是“肠道vs环境”的二元划分。尽管前路漫漫，但这项研究无疑为我们指明了方向。它告诉我们，通过结合大数据分析和实验验证，我们有能力系统性地解码微生物适应特定环境的遗传密码。这些知识不仅能加深我们对生命本身的理解，更能转化为强大的工具，用于开发新的策略来维护肠道健康，治疗相关疾病。肠道微生物这个“微型宇宙”的探索之旅，才刚刚启程。让我们期待研究人员未来带来更多激动人心的发现，继续为我们揭开这个隐藏在我们身体内部的，充满活力的“肠道江湖”的更多秘密！参考文献Liu M, Blattman SB, Takahashi M, Mandayam N, Jiang W, Oikonomou P, Tavazoie SF, Tavazoie S. Conserved genetic basis for microbial colonization of the gut. Cell. 2025 Apr 2:S0092-8674(25)00283-1. doi: 10.1016/j.cell.2025.03.010. Epub ahead of print. PMID: 40187346.责编|探索君排版|探索君转载请注明来源于【生物探索】声明：本文仅用于分享，不代表平台立场，如涉及版权等问题，请尽快联系我们，我们第一时间更正，谢谢！End往期精选围观Nature | 靶向线粒体VDAC2：破解实体瘤免疫治疗抵抗的"死亡密钥"热文Nature Medicine | 多囊女性子宫内膜藏着什么秘密？——全球首份单细胞图谱揭示治疗新方向热文Nature | 颠覆认知！大脑学习的惊人秘密：你的“潜伏知识”是如何瞬间爆发的？热文Cell | 颠覆认知！染色体形成并非依赖“骨架”，自组织模型重塑教科书热文Science | 为什么我们回想不起三岁前的经历?

*仅供医学专业人士阅读参考 生酮饮食可以说是近年来最火的流行饮食方案了，不用“避雷”脂肪又可以减肥，多美的事儿啊。 生酮饮食为什么能减肥？除了生酮饮食诱导的酮体状态可以促使身体消耗脂肪作为能量来源，研究者们还发现了许多其他的机制。例如，有研究发现生酮饮食能够增加能量消耗。 近期，复旦大学人类表型组研究院洪尚宇、郑琰课题组在《自然·代谢》杂志发表论文，研究者们发现，生酮饮食会影响特定肠菌的丰度、降低其表达的胆盐水解酶（BSH）的丰度，从而导致小鼠血液中牛磺脱氧胆酸（TDCA）和牛磺熊脱氧胆酸（TUDCA）水平升高，这两种物质会抑制肠道中碳酸酐酶1的表达、抑制卡路里的吸收。 这些结果在一项涉及四百余人的观察性研究中也得到了验证。 研究者认为，TCDA和TUCDA两种物质或许可以用于治疗肥胖和其他并发症。 论文题图 为了寻找生酮饮食减肥背后的隐藏机制，研究者给小鼠喂食了7周生酮饮食（KD，脂肪占比75.1%），然后对小鼠空腹血浆进行靶向代谢组学分析。 如同预料，生酮饮食让小鼠的体重显著减轻，小鼠的空腹血糖水平也降低了。组学分析结果显示，生酮饮食显著改变了小鼠的血清代谢谱，共有22种代谢物水平上调，其中包括6种牛磺酸偶联胆汁酸（BAs）。 在此前的研究中，研究者们发现，蛋氨酸会逆转生酮饮食的减重效果。分析生酮+蛋氨酸饮食的小鼠，研究者发现这些小鼠血浆中，原本上调的6种BAs水平降低了。 考虑到BA原本就有调节能量代谢的功能，研究者猜测，它在生酮饮食的减重机制中也发挥了重要作用。 进一步分析发现，在变化的6种BAs中，共轭BAs的变化更为重要，也就是TDCA、TUDCA、牛磺胆酸（TCA）、牛磺鹅脱氧胆酸（TCDCA）。对着4种BAs依次实验，研究者发现TDCA和TUDCA能够显著降低正常饮食小鼠的体重和空腹血糖，改善糖耐量。 TDCA和TUDCA显著降低小鼠的体重、空腹血糖，改善糖耐量 牛磺酸偶联BAs的血清水平受肝肠循环调节，因此研究者对小鼠肠道进行了分析，发现TDCA和TUDCA水平的改变是离不开肠菌的。移植了生酮饮食小鼠肠菌的受体小鼠也可以减轻体重。 测序结果显示，生酮饮食会导致肠菌的α多样性显著降低，厚壁菌门、放线菌门、疣微菌门的相对丰度显著降低，变形菌门丰度增加。 受生酮饮食影响最大的四个菌株是Lactobacillus murinus ASF361、Lactobacillus reuteri unclassified、Akkermansia muciniphila ATCC BAA-835和Helicobacter hepaticus ATCC 51449。后续分析显示，前三种同时与BAs和代谢表型有关。 L. murinus ASF361对宿主体重和空腹血糖影响是最大的，因此研究者后续选择了这个菌株进行实验。 L. murinus ASF361到底有什么魔力？ 研究发现，L. murinus ASF361会显著降低血清TDCA和TUDCA水平，其含有的胆盐水解酶（BSH）会将它们分别代谢为脱氧胆酸（DCA）和熊脱氧胆酸（UDCA）。 而TDCA和TUDCA可以抑制肠道中的碳酸酐酶1表达，减少肠道吸收卡路里。 最后，研究者分析了416名健康参与者的血浆和粪便，发现较低的血浆TDCA和TUDCA水平与较高的BMI或空腹血糖水平显著相关。25名生酮饮食减重试验参与者，在12周的生酮饮食后体重减轻了5.27kg，与基线相比，试验后血浆TDCA和TUDCA水平显著升高、且与BMI和空腹血糖变化显著相关。 这些观察与小鼠实验的结果是一致的。 这项研究结果支持TDCA和TUDCA作为肥胖和相关代谢疾病的候选药物。 参考资料： [1]https://www.nature.com/articles/s42255-024-01072-1 [2]https://www.nature.com/articles/s42255-024-01062-3 本文作者丨代丝雨

索氏梭菌（Paeniclostridium sordellii）是一种可以引发急性感染的革兰氏阳性细菌，环境分布广泛。索氏梭菌感染不多见却非常致命，可引发毒血症，气性坏疽，低血压和休克等症状，尤其对于分娩或流产的女性风险极高，急性感染发生后的致死率近100%。索氏梭菌含致死毒素（TcsL）和出血毒素（TcsH）两种外毒素，其中致死毒素被认为是造成其高致死率的主要毒力因子。组合重复寡肽（Combined Repetitive Oligopeptides, CROPs）是一段位于TcsL羧基端的重复序列结构。该结构目前发现仅存在于包括TcsL在内的大部分大梭菌毒素家族蛋白中，然而一直以来人们对其在毒素蛋白中的功能了解甚少。2023年12月19日，西湖大学陶亮团队与合作者在Nature Communications上在线发表题为“Structural dynamics of CROPs control the stability and toxicity of Paeniclostridium sordellii lethal toxin”的研究论文（图1），揭示了TcsL的组合重复寡肽区域具有调控毒素自剪切和毒性的功能，并从生化、细胞和结构层面阐述了其工作机制；研究还进一步发现这种自调控机制在其它大梭菌毒素家族成员中也可能普遍存在。图1. 论文截图为了探究组合重复寡肽结构域的功能，研究团队首先在枯草芽孢杆菌系统中表达了全长和组合重复寡肽缺失的TcsL蛋白。期间团队成员发现了一个有趣的现象：组合重复寡肽缺失的TcsL在蛋白纯化过程中会自发进行切割。通过质谱分析和突变实验证实切割位点位于543位的亮氨酸和544位的甘氨酸，这是TcsL中的半胱氨酸蛋白酶的自剪切位点。在全长蛋白中，需要较高浓度的六磷酸肌醇（InsP6）才能激活半胱氨酸蛋白酶的自切割活性，这说明缺失组合重复寡肽结构会造成TcsL中的半胱氨酸蛋白酶活性失控变得过度活跃（图2）。图2. 缺失组合重复寡肽区域会造成TcsL中半胱氨酸蛋白酶活性失控为了进一步分析组合重复寡肽区域中抑制半胱氨酸蛋白酶活性的序列位点，研究者们构建了一系列毒素的截短和突变体，通过InsP6诱导的体外酶切实验，发现不同长度的组合重复寡肽片段对半胱氨酸蛋白酶的活性有着不同程度的影响。更有趣的是，缺失了组合重复寡肽的TcsL在细胞上的毒性甚至高于全长TcsL，说明该结构区域还影响了毒素的细胞毒性（图3）。图3. 不同长度的组合重复寡肽对TcsL自剪切和细胞毒性的影响之后，陶亮团队与施一公团队开展合作，利用冷冻电镜单颗粒三维重构技术解析了在中性条件下和酸性条件下TcsL全长蛋白的三维结构。研究者发现，在中性条件下，TcsL呈现一种开放式的构象；而在酸性条件下，组合重复寡肽区域会发生近180°的旋转，形成一种关闭式的构象。其中关闭式的构象中，组合重复寡肽区域与其它结构域之间产生了两个分子内的互作界面，从而牢牢地“锁住”了毒素的其它区域（图4）。图4. TcsL存在开放和关闭这两种不同的构象，其中关闭式构象会形成两个分子内作用界面接下来，研究者们模拟了TcsL释放到环境中，之后再接触宿主的情形。利用小鼠攻毒模型结合病理分析，研究者发现缺少组合重复寡肽区域的TcsL在存在InsP6的环境中暴露仅仅20分钟即会完全失活，这对于一种外毒素来说是不可接受的缺点。而全长的TcsL在类似环境下30分钟也不会有任何活性损失（图5）。最后，研究者们还将这一规律在大梭菌毒素家族的其他成员，包括TcdA，TcdB，TcsH和Tcnα中进行了验证，发现它们的组合重复寡肽区域也有着类似的作用。图5. 缺少组合重复寡肽区域的TcsL很容易在接触宿主前就发生失活基于上述发现，研究者们提出了一种组合重复寡肽区域调控TcsL及其它大梭菌毒素稳定性和毒性的模型（图6）。作为一类外毒素，TcsL在被细菌释放到胞外后将面临各种复杂的环境条件。毒素可能以开放和关闭两种构象存在，其中开放式构象的组合重复寡肽区域舒展，暴露出毒素的核心区，这种构象对于攻击宿主细胞更为有利。而在一些相对严厉的条件下（如低pH值等），毒素倾向于转变为关闭式的构象，这种构象分子结构更为紧密和牢固，不易发生自剪切和降解。这种构象更利于维持毒素的稳定性和活性，直至毒素分子接触到其目标宿主细胞。图6. 研究者提出的组合重复寡肽自调控毒素分子稳定性和毒性的模式图原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44169-z本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！