9文聚焦腸道噬菌體：研究一日千裡，轉化指日可待

10 月 31 日的《熱心腸日報》，我們解讀了 9 篇文獻，關注：糞便病毒組移植，噬菌體療法，宏基因組，抗感染，細菌基因調控，噬菌體-細菌互作，多形擬桿菌，原噬菌體誘導，crAss樣噬菌體，協同進化。

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糞便病毒組移植的前景與局限（綜述）

FEMS Microbiology Reviews——[13.92]

① 腸道中的噬菌體能感染細菌完成複製，通過無菌過濾糞便中的細菌成分進行糞便病毒組移植（FVT），可降低細菌感染風險；② 噬菌體群落介導的FVT能引起宿主代謝組、菌群結構變化，改善宿主健康，如治療IBD、肥胖症和二型糖尿病等；③ FVT幹預需考慮：噬菌體效價、供體的選擇，噬菌體攜帶的毒性基因，及對宿主潛在的不良免疫反應等；④ 目前缺乏直接比較FVT與FMT有效性和安全性的研究，未來也需探究細菌和噬菌體間的互作，以確定起作用的噬菌體。

【主編評語】

噬菌體是糞便病毒組的主要成員，能感染細菌，進而操縱腸道菌群，影響人體健康。FEMS Microbiology Reviews近期發表的一篇綜述，討論了用無菌過濾的供體糞便(含病毒、代謝物和細胞碎片，但不含完整的細菌細胞)替代FMT進行幹預，對治療IBD（炎症性腸病）、肥胖症和2型糖尿病等疾病的可能性，並闡述了噬菌體是如何通過FVT在腸道微生物組中發揮關鍵作用的。最後，文章還指出了未來使用FVT幹預時應考慮的因素及安全隱患。值得一讀！（@nana）

【原文信息】

Bacteriophage-mediated manipulation of the gut microbiome-promises and presents limitations

2020-06-04, doi: 10.1093/femsre/fuaa020

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噬菌體療法面臨哪些挑戰？如何應對？（綜述）

Journal of Controlled Release——[7.727]

① 工程噬菌體操控腸道微生物組有一定的挑戰，主要體現在4個方面；② 噬菌體細菌靶向特異性：可從自然資源中分離多價噬菌體，篩選僅針對目標細菌的噬菌體，並利用噬菌體工程改變宿主範圍等；③ 克服細菌先天免疫以保護轉導DNA：如克服基於DNA裂解和非DNA裂解的細菌免疫，使轉導DNA長期保存；④ 基因表達量的調控：利用通用細菌表達資源系統及穩定表達系統調控目標基因表達；⑤ 重組DNA安全性的控制：利用主動、被動系統，確保重組DNA的安全性。

【主編評語】

利用腸道中豐富的微生物生態系統，或可通過使用改造過的噬菌體在原位對微生物組進行基因改造。Journal of Controlled Release發表的綜述，提出了利用工程噬菌體控制和操縱腸道微生物組所面臨的挑戰，如細菌靶向特異性、轉導DNA的長期作用、基因表達調控、重組DNA安全性控制等。針對這些挑戰，文章進一步提出了應對這些挑戰的可操作性方法，以幫助發展基於噬菌體的原位微生物工程這一新興領域，並力圖在未來將其推展到臨床。（@nana）

【原文信息】

Challenges & opportunities for phage-based in situ microbiome engineering in the gut

2020-06-19, doi: 10.1016/j.jconrel.2020.06.016

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Cell 子刊：宏基因組數據分析，如何助力噬菌體療法？

Cell Host and Microbe——[15.923]

① 對101名健康日本人的腸道病毒組和細菌組進行測序；② 基於噬菌體和CRISPR的分析方法，對來自同一糞便樣品的細菌和病毒的基因組序列，進行細菌-噬菌體關聯分析，闡明了溫和噬菌體和烈性噬菌體與宿主細菌的關係；③ 宏基因組數據分析篩選出艱難梭菌特異性噬菌體，並鑑定出一種噬菌體來源的抗菌酶；④ 體外實驗表明抗菌酶對艱難梭菌有溶解能力，在艱難梭菌感染小鼠模型中，抗菌酶可特異性降低小鼠死亡率。

【主編評語】

噬菌體療法是消除腸道有害細菌的高度特異性治療方法。然而，噬菌體和腸道細菌之間的感染關係尚未完全闡明。Cell Host and Microbe發表的一篇文章，對101個健康日本人的腸道病毒組和細菌組進行了宏基因組分析，鑑定出能特異性控制病原微生物的噬菌體來源抗菌酶。利用抗菌酶幹預艱難梭菌感染的小鼠，可以顯著提高小鼠的成活率。本研究結果表明，基於宏基因組分析的宿主細菌-噬菌體關聯信息，有利於改造噬菌體以消滅病原菌，並為開發各種與腸道菌群失調相關疾病的治療方法提供借鑑。（@nana）

【原文信息】

Metagenome Data on Intestinal Phage-Bacteria Associations Aids the Development of Phage Therapy against Pathobionts

2020-07-10, doi: 10.1016/j.chom.2020.06.005

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噬菌體治療腸道細菌感染的新思路

mSystems——[6.633]

① 細菌耐藥性水平增加對細菌感染治療帶來挑戰，可開發一種基於基因組水平的溫和噬菌體療法，在不殺死細菌的前提下降低細菌毒力因子的表達；② 使用工程溫和噬菌體λBH1可以抑制腸道細菌毒力因子的表達，並且使其宿主E. coli保持溶原狀態；③ λBH2遺傳修飾後，可以克服細菌中其它噬菌體的重複感染排斥效應；④ λBH2與E. coli933W體外共培養，可以抑制志賀毒素基因的表達；⑤ 小鼠實驗表明λBH2噬菌體能降低E. coli933W中志賀毒素產生。

【主編評語】

mSystems發表的一項研究，使用一種溫和的噬菌體（一種能將自身基因組整合到細菌基因組中的噬菌體），通過在遺傳水平上修改細菌的功能，來抑制毒性因子的表達。結果表明，單劑量的工程噬菌體可以在細菌中繁殖，並在腸道感染小鼠模型中減少志賀毒素的產生，且不會顯著影響細菌濃度。本研究或提供了一種治療腸道細菌感染的新思路。（@nana）

【原文信息】

Stable Neutralization of a Virulence Factor in Bacteria Using Temperate Phage in the Mammalian Gut

2020-01-28, doi: 10.1128/mSystems.00013-20

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Nature 子刊： 如何靶向改變腸道菌功能？口服遞送噬菌體來幫忙

Nature Communications——[12.121]

① 表達核酸酶失活的Cas9的工程溫和噬菌體λ，可在體外靶向抑制大腸桿菌基因表達；② 給定殖了大腸桿菌的小鼠，灌胃工程噬菌體進行幹預，噬菌體可抑制大腸桿菌的基因表達，並且不會顯著降低大腸桿菌濃度；③ 開發了基於微生物可降解的聚合物薄膜（外表採用抗酸的薄膜塗料），可在不影響噬菌體功能的情況下，保證噬菌體順利到達大腸；④ 且能最大限度地提高口服給藥的效果、減少潛在的生理腸道菌群結構破壞，實現腸道菌基因表達的精準調控。

【主編評語】

調節腸道細菌功能可能是促進腸道健康的有效方法，但由於腸道的不可侵入性以及腸道細菌與宿主之間的相互聯繫，很難在不破壞微生物群和/或宿主生理的情況下精確定位細菌的功能。Nature communications近期發表的文章，報導了一種通過口服遞送特殊材料包裝的噬菌體影響腸道細菌基因表達的非侵入性策略。研究者首先確定了一種利用表達核酸酶失活的Cas9工程噬菌體對細菌的原位修飾方法。並且，為了提高噬菌體對胃酸和蛋白酶的耐受，幫助噬菌體順利到達細菌豐度最高的大腸，並最低限度的降低對宿主生理和腸道菌群的幹擾，研究者進一步開發一種微生物可降解包封材料。研究表明，通過特殊材料包裝後口服遞送工程噬菌體，可以實現小鼠腸道中細菌基因表達的精確修飾。本研究或提供了一種非侵入性的靶向改變腸道細菌功能的方法。推薦閱讀！（@nana）

【原文信息】

In situ reprogramming of gut bacteria by oral delivery

2020-10-06, doi: 10.1038/s41467-020-18614-2

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Nature子刊：莢膜多糖和脂蛋白或可影響多形擬桿菌對噬菌體的敏感性

Nature Microbiology——[15.54]

① 分離出的71種噬菌體可以感染有莢膜多糖（CPSs）而不能感染無莢膜多糖的的多形擬桿菌，暗示噬菌體以依賴於莢膜多糖的方式侵染；② 特定CPSs基因敲除菌株改變了對噬菌體的敏感性；③ 野生型多形擬桿菌cps位點表達發生改變，表現出噬菌體抗性，表明預先存在的CPS變異或有助於多形擬桿菌獲得噬菌體抗性；④ CPSs缺失時，多形擬桿菌通過8種不同相變脂蛋白來免於噬菌體侵染；⑤ 小鼠模型表明，脂蛋白（BT1927）促進了多形擬桿菌對多種噬菌體的抗性。

【主編評語】

細菌表面的結構決定了其自身與噬菌體的相互作用。人腸道中的擬桿菌能產生幾種相位可變的莢膜多糖(CPSs)，但它們對噬菌體相互作用的貢獻尚不清楚。Nature Microbiology發表的文章，為了了解CPSs如何影響擬桿菌-噬菌體間的相互作用，研究者從美國的兩個地點分離了71種感染擬桿菌的噬菌體，發現多形擬桿菌的CPSs介導噬菌體對擬桿菌的侵染，並且當CPSs缺失的情況下，多形擬桿菌可通過改變相變脂蛋白的表達來逃脫噬菌體侵染。本研究結果揭示了細胞表面CPSs和脂蛋白的重要作用，或對噬菌體療法具有重要意義。（@nana）

【原文信息】

Phase-variable capsular polysaccharides and lipoproteins modify bacteriophage susceptibility in Bacteroides thetaiotaomicron

2020-06-29, doi: 10.1038/s41564-020-0746-5

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飲食中的原噬菌體誘導劑是如何影響腸道菌群的？

Gut Microbes——[7.74]

① 檢測117種食品、化學添加劑和植物提取物對腸道菌的抗菌特性；② 甜葉菊和蜂膠提取物等28種化合物對腸道菌群有影響，表現出抗菌特性或具有益生元作用；③ 至少11種化合物能誘導VLPs（病毒樣顆粒），如在多形擬桿菌中，甜菊糖甙、丁香和蜂膠顯著誘導VLPs增加，熊果提取物、蜂膠和阿斯巴甜對糞腸桿菌中VLPs誘導顯著，甜葉菊、葡萄柚籽提取物和牙膏對金黃色葡萄球菌中VLPs誘導顯著；④ 調節原噬菌體來改變腸道菌群或為塑造腸道菌群提供新途徑。

【主編評語】

在人體腸道內，每一個細菌細胞約含有1個病毒樣顆粒(VLP)。這些VLPs大部分是dsDNA噬菌體。人類腸道中的大多數噬菌體屬於溫和噬菌體，並作為原噬菌體整合到細菌宿主的基因組中。研究表明，許多常見的食物和/或環境化合物可通過激活原噬菌體改變腸道菌群組成。Gut Microbes發表的文章，研究了三種常見腸道細菌和一種條件致病菌對117種常用食品、化學添加劑和植物提取物的反應。結果顯示，包括甜菊糖和蜜蜂蜂膠提取物在內的11中化合物，顯示出物種特異性生長抑制的原噬菌體誘導作用。以上結果表明，不同的食物可以通過調節溫和噬菌體來改變腸道細菌的豐度，本結果或可為調節人類腸道微生物組提供了一條新的途徑。（@nana）

【原文信息】

Dietary prophage inducers and antimicrobials: toward landscaping the human gut microbiome

2020-01-13, doi: 10.1080/19490976.2019.1701353

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Nature子刊：人腸道中的crAss樣噬菌體是如何獲得並進一步傳播的？

Nature Communications——[12.121]

① crAss樣噬菌體在剛出生嬰兒腸道中很少被檢測到，在出生一個月後越來越普遍；② 近一半母嬰對中，母親和嬰兒具有幾乎相同的crAss噬菌體基因組序列，表明crAss樣噬菌體存在母嬰垂直傳播；③ 與母親相比，嬰兒獲得典型crAss噬菌體（p-crAssphage）多樣性減少，但其多樣性在定殖後逐漸增高；④ 嬰兒樣本中存在尾纖維蛋白的非同義多等位基因變異，表明非同義等位基因多樣性有益，例如具有感染更廣泛宿主的能力；⑤ p-crAssphage可通過FMT獲得。

【主編評語】

crAss樣噬菌體是雙鏈DNA病毒，普遍存在於人類腸道微生物群落中。Nature Communications發表的文章，分別分析了母嬰腸道和接受糞菌移植患者的腸道宏基因組數據，評估了crAss樣噬菌體獲得、傳播模式及p-crAssphage噬菌體多樣性（crAss樣噬菌體的一種）。（@nana）

【原文信息】

Acquisition, transmission and strain diversity of human gut-colonizing crAss-like phages

2020-01-15, doi: 10.1038/s41467-019-14103-3

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腸道菌中的原噬菌體如何影響細菌-噬菌體的的協同進化？

ISME Journal——[9.18]

① 腸道羅斯拜瑞氏菌（R. intestinalis） L1-82含有2種活躍的原噬菌體，Jekyll和Shimadzu；② Shimadzu噬菌體的高致病性突變體侵犯了簡化的腸道生態系統，溶解了絕大多數的易感細菌；③ 通過短回文重複序列（CRISPR）中噬菌體DNA的捕獲，噬菌體感染能驅動宿主的噬菌體抗性的快速進化；④ 同時，細菌的噬菌體抗性還來源於一種新的免疫型噬菌體的溶原化；⑤ 原噬菌體不總處於休眠狀態，在腸道菌群組成的短期瞬時變化中起主要作用。

【主編評語】

環境因素，如食物或抗生素的使用，會改變腸道菌群的組成，但它們的總體影響仍然相對較低，而噬菌體可能是解釋物種豐度隨時間變化的重要因素。腸道細菌內藏有大量的原噬菌體或休眠病毒，這些病毒可進化為極具毒性的噬菌體突變體，可能導致重要的細菌死亡。這種現象是否會在哺乳動物的微生物群中發生尚不清楚。ISME Journal發表的一篇文章，研究了溫和噬菌體在定殖了Roseburia intestinalis L1-82和大腸桿菌小鼠中的協同進化。結果表明，Roseburia intestinalis L1-82超毒性突變噬菌體Shimadzu侵入了這個簡化的腸道生態系統，並溶解絕大多數易感細菌，且噬菌體介導的細菌死亡驅動了細菌噬菌體抗性的快速進化。本研究表明，原噬菌體並不總是處於休眠狀態，且在微生物群組成的短期時間變化中發揮重要作用。（@nana）

【原文信息】

The enemy from within: a prophage of Roseburia intestinalis systematically turns lytic in the mouse gut, driving bacterial adaptation by CRISPR spacer acquisition

2019-12-11, doi: 10.1038/s41396-019-0566-x

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感謝本期日報的創作者：勒布朗，陳國忠，滿心歡喜.，大月半，徐笑，王文東

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