Nature：在人类肠道营菌群中发现获得性细菌防御基因

来源：宏基因组

撰文 | 我的闺蜜老红帽

责编 | 兮 

人类的消化道（gastrointestinal tract）栖息着数目庞大，种类众多的细菌，而肠道菌群与人类健康密切相关。影响肠道菌群的因素可以分为外因和内因两类，外因包括食物摄取和宿主免疫应答状况，但是，这些远远不够调节如此复杂多样的肠道菌群；内因则主要指不同菌群之间的相互作用，这也是影响肠道菌群组分构成的主要因素。目前学界已经提出了多种肠道菌群之间短兵相接的通路机制【1-3】。多种革兰氏阴性菌（Gramnegativeorder Bacteroidales）具有六型分泌系统（type VI secretion system，简称T6SS），通过这一系统，可以将毒性蛋白注射入临近细胞，从而起到杀伤作用【4,5】。但是，T6SS的细胞毒作用是否有与之拮抗的机制呢？ 

近日，来自美国华盛顿大学的Elhanan Borenstein和Joseph D. Mougous研究组在Nature杂志上发表题为Human gut bacteria contain acquired interbacterial defence systems的文章，发现和定义了肠道菌群中存在一组基因，可以中和和拮抗细胞毒作用，从而起到调控肠道菌群的作用。 

首先，作者通过高通量多批次对人类共生菌测序分析，寻找与人类免疫系统组分同源的基因。作者首先关注于脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis，简称B. fragilis）。B. fragilis 是一种专性厌氧，革兰氏阴性的杆状肠道共生菌，并且多项报道指出，它的基因组可以编码多种与人类免疫系统组分同源的蛋白【3,6,7】。但是，通过比较B. fragilis 和其它共生菌的基因组，作者发现几点有意思的现象，第一，14个免疫同源基因（定义为i1～i14）在B. fragilis 中并没有表达，但是，在肠道菌群其它菌株中却高表达。并且，这14基因中的12个却与B. fragilis 中发现的免疫基因共享同源序列。作者将这组基因定义为独立免疫基因（Orphan immunity genes）。第二，在这14个基因中，i6分布最为广泛。第三，根据i6核苷酸替换（nucleotide substitutions）类型的不同，可以粗略的将肠道菌群分为cI，cII和cIII三类，其中，B. fragilis 属于cIII。通过生物信息学分析，作者推测，这组独立免疫基因很可能具有与T6SS的细胞毒作用所不同的功能。 

接下来，作者研究和定义这组基因的功能。作者通过聚类算法（cluster）发现，这组基因中的i6和i7隶属于一型获得性细菌防御系统（acquired interbacterialdefence 1 system，简称AID-1) 。所以，作者猜测，这组基因很可能具有抵御和中和细胞毒的作用。为了证实这一猜测，通过细菌杀伤实验，发现，特异性敲除了i6或者i7的菌株，被其它菌株杀伤的比例更大，而同时敲除i6和i7后，其杀伤作用最为显著。这些结果直接说明了，这组基因具有抑制细胞毒作用的功能。 

最后，作者研究这组基因的功能，是局限在特定等菌株上，还是对大多菌株都适用，具有更为普遍的意义。同样采用细菌杀伤实验，作者在没有AID-1组件的菌株中转入AID-1，发现，与未转入对照相比，这样的菌株可以更好更强的抵御细胞毒作用。作者再次比对和分析B.fragilis基因组，发现AID-1可以归于更大的框架- -重组酶相关AID-1系统（Recombinase-associated AID-1 systems，简称rAID-1）中。这个系统长达16kb，包含31个基因，具有多个免疫同源基因或序列，并且，有报道指出，具有抵御细胞毒作用的功能【2】。与此同时，rAID-1并不局限于某种菌株，而是存在于多种人类肠道共生菌之中。

综上所述，这篇文章在人类肠道共生菌中定义了一组获得性细菌防御基因（acquired interbacterialdefence gene，简称AID gene），这组基因可以中和和抵御T6SS的细菌之间杀伤作用。另外，这组基因具有普适性，即连接有这组基因的菌株就可以获得抵御T6SS的功能。最后，作者将这组基因扩大，定义了重组酶相关AID-1系统，这一系统广泛存在于肠道菌群之中。这是一篇肠道菌群研究的佳作，其亮点有二，一是样本，作者综合了大量肠道菌群基因组测序结果，通过不同预测分析算法，定义了一组与T6SS功能截然不同的基因。二是功能，之前学界往往关注于细菌之间是如何杀伤对方的，通过何种分泌系统，使用何种细菌毒素。所谓战争，即有攻有守，有进有退，作者将关注点放在了细菌防御，颇有新意。 

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1708-z

参考文献

1. Whitney, J. C. et al. A broadly distributed toxinfamily mediates contact-dependent antagonism between Gram-positive bacteria.eLife 6, e26938(2017).

2. Zhang, D., de Souza, R. F.,Anantharaman, V., Iyer, L. M. & Aravind, L. Polymorphic toxin systems:comprehensive characterization of trafficking modes, processing, mechanisms ofaction, immunity and ecology using comparative genomics. Biol. Direct 7, 18(2012).

3. Coyne, M. J., Roelofs, K.G. & Comstock, L. E. Type VI secretion systems of human gut Bacteroidalessegregate into three genetic architectures, two of which are contained on mobile genetic elements. BMC Genomics 17, 58 (2016).

4. Russell, A. B. et al. Atype VI secretion-related pathway in Bacteroidetes mediates interbacterial antagonism.Cell Host Microbe 16, 227–236 (2014).

5. Hood, R. D. et al. A typeVI secretion system of Pseudomonas aeruginosa targets a toxin to bacteria. CellHost Microbe 7, 25–37 (2010).

6. Verster, A.J. et al. Thelandscape of type VI secretion across human gut microbiomes reveals its role incommunity composition. Cell Host Microbe 22, 411–419(2017).

7. Wexler, A. G. et al. Humansymbionts inject and neutralize antibacterial toxins to persist inthe gut. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 3639–3644 (2016).