Nature Microbiology | Muthiah教授改造工程益生菌克服病原体防御以抑制感染

工程益生菌通过信号干扰和生产抗生素来克服病原体防御以治疗感染小鼠

Engineered probiotic overcomes pathogen defences using signal interference and antibiotic production to treat infection in mice

57c65640a6e2734eaf1337dd0855a358.png

Article，2024-01-16，Nature Microbiology， [IF 28.3]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41564-023-01583-9

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41564-023-01583-9

通讯作者：Wenjun Zhang、Muthiah Kumaraswami

主要单位：分子和转化人类传染病研究中心，休斯敦卫理公会研究所（HMRI）

- 摘要 -

补充益生菌剂是预防病原体促进人类健康的重要部分。然而，其体内发挥效果的机制未被全部阐明。在这里，作者使用代谢组学和细菌遗传学，表明人类口腔益生菌唾液链球菌K12（Streptococcus salivarius K12，SAL）产生salivabactin，该抗生素在体外和小鼠体内能有效效抑制酿脓链球菌（Streptococcus pyogenes，GAS）。然而，预防性服用SAL增强了GAS在小鼠体内和人体唾液中的定植。作者发现，在SAL和GAS共同定植时，GAS响应了SAL中调控salivabactin产生的细胞间肽信号。GAS产生一种分泌蛋白酶SpeB，其靶向源自SAL的salivabactin并增强GAS存活。作者基于以上认识，重新设计了益生菌SAL以防止GAS窃听信号并增强其抗菌能力。这种工程益生菌在体内预防GAS定植方面显示出卓越的功效。作者的研究结果表明，通过揭示物种间相互作用机制，能够识别基于抗生素和益生菌的策略来对抗感染。

- 结果 -

31aa5d681beb293cb97c1a63f7e44d6a.png

图1. salivabactin的发现和生物合成。

a. 各种SAL菌株的体外抗GAS活性。

b. 编码sar生物合成基因簇（BGC）的16个基因操纵子结构。

c. 比较SAL及其突变体的代谢提取物的LC-MS提取离子色谱图，说明salivabactin的产生与sar BGC相关。

d. 两种salivabactin异构体，salivabactin A和salivabactin B的化学结构。

e. 时间依赖的杀菌试验。

f. 不同物质处理感染GAS小鼠后的Kaplan-Meier生存曲线。

b5f4a75ba88460668c606523c1c98074.png

图2. 益生菌促进病原体在离体人类唾液和小鼠感染模型中的存活。

a. GAS在含不同剂量SAL（0-108 CFUs）的离体唾液中的生长结果。

b. C57Bl/6小鼠鼻腔接种108 CFUs的GAS和/或SAL24 小时后GAS的丰度。

c. CD1小鼠通过阴道注射特点剂量SAL 24小时后，再通过阴道接种103 CFUs的GAS。在指定时间点收集样本，测试拭子洗脱液中的CFU以评估GAS水平。

b3a78ec4a4388e6ee51ccba406744e9e.png

图3. 病原体逃避益生菌细胞毒性的机制。

a,b. GAS在人类唾液中与ASL共生时上调speB的表达促进存活。

c. GAS sip*突变体（单密码子替换提前终止）不产生SIP，需要外源诱导来激活speB表达。SAL生长后的培养上清液孵育sip*突变体可以激活speB表达。

d. 本研究鉴定的GAS中speB激活的ropB-sip群体感应系统与SAL中nrpR-nip信号系统之间的相似性。

e. NIP及其同源受体NrpR控制sar BGC的表达。

f. 含有NIP氨基酸序列的合成肽（细胞间肽信号）激活SAL nip*突变体中sarD的表达。

bcb77272809241f975f2112ca88b69a8.png

图4. 病原体利用益生菌群体感应信号来激活分泌毒素的产生。

a-c. 在体外transwell共培养过程中，SAL诱导sip*突变体中speB的早期表达（a）和分泌speB蛋白酶的产生（b和c）

d. 在人唾液共培养过程中，SAL可诱导GAS中speB的早发性和强效性表达。

e. SAL诱导小鼠鼻咽共感染过程中speB的表达。

b572cf0e79969a616954f835eb466782.png

图5. 益生菌群体感应信号和分泌蛋白酶是病原体存活的关键。

a. 产生NIP的SAL菌株在人唾液中共同培养时促进了GAS的存活。

b. SAL存在下，GAS存活依赖于SpeB酶活性。

c. SAL激活SIP通路和产生SpeB的模型。由SAL（左）产生的NIP被GAS利用来激活内源性SIP通路（右）。

135ad17782a73085d86047a654486895.png

图6. 工程益生菌对GAS定植的抑制作用。

a. 工程唾液链球菌（eSAL）基因修饰示意图。在共生长过程中，引入nip*突变来消除S. salivarius中NIP的产生和GAS中SpeB的产生。sar操纵子的转录与组成型活性PtufA启动子偶联，驱动高水平的sar BGC表达。

b. 工程益生菌（eSAL）降低唾液中的GAS水平。

c. eSAL体内药效评价的实验设计。小鼠在指定时间通过鼻腔接种WT SAL或eSAL（108 CFU），一天后鼻腔接种GAS（108 CFU），24小时后通过CFU评估eSAL体内抑菌效果。

d. eSAL比WT SAL更有效地抑制GAS在小鼠鼻咽部的定植。

e. ELISA法检测鼻咽拭子中IL-1β的含量。

参考文献

Do, H., Li, ZR., Tripathi, P.K. et al. Engineered probiotic overcomes pathogen defences using signal interference and antibiotic production to treat infection in mice. Nat Microbiol (2024). https://doi.org/10.1038/s41564-023-01583-9

- 通讯作者简介 -

d62436e450a79d32ff63a2709440f8cf.jpeg

美国加州大学

化学与生物分子工程系

Wenjun Zhang

教授

Wenjun Zhang是美国加州大学生物分子工程副主席、化学与生物分子工程教授，其团队采用化学、生物学和工程学的交叉学科方法，致力于生物分子工程在人类健康和生物能源方面的应用。研究主要内容包括：理解和设计天然产物的生物合成，新的生物活性小分子的发现和功能研究，以及开发新的研究工具包，以促进天然产物研究，特别侧重于天然产物识别和应用。

个人主页：https://sites.google.com/view/zhanglab-berkeley/home

3cfe064d9e15ff3ffc987100f3f0a75b.jpeg

休斯顿卫理公会研究所

分子和转化人类传染病研究中心

Muthiah Kumaraswami

教授

Muthiah Kumaraswami博士主要研究了细菌病原体（如金黄色葡萄球菌）中转录调节因子的基因调控和翻译及药物结合机制。他的研究集中在三个主要蛋白（RopB，RofA 和 RocA），涉及协调调节毒力基因表达和A组链球菌的发病机制。

个人主页：https://www.kumaraswamilab.com/

宏基因组推荐

  • 4月12-14日，微生物组-扩增子16S分析

  • 5月17-19日，微生物组-宏基因组分析

  • 人满即开 | 论文作图和统计分析培训班

  • 一站式论文提升服务，助您顺利发高分论文！

猜你喜欢

iMeta高引文章 fastp 复杂热图 ggtree 绘图imageGP 网络iNAP
iMeta网页工具 代谢组MetOrigin 美吉云乳酸化预测DeepKla
iMeta综述 肠菌菌群 植物菌群 口腔菌群 蛋白质结构预测

10000+：菌群分析 宝宝与猫狗 梅毒狂想曲 提DNA发Nature

系列教程：微生物组入门 Biostar 微生物组  宏基因组

专业技能：学术图表 高分文章 生信宝典 不可或缺的人

一文读懂：宏基因组 寄生虫益处 进化树 必备技能：提问 搜索  Endnote

扩增子分析：图表解读 分析流程 统计绘图

16S功能预测   PICRUSt  FAPROTAX  Bugbase Tax4Fun

生物科普:  肠道细菌 人体上的生命 生命大跃进  细胞暗战 人体奥秘  

写在后面

为鼓励读者交流快速解决科研困难，我们建立了“宏基因组”讨论群，己有国内外6000+ 科研人员加入。请添加主编微信meta-genomics带你入群，务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。高级职称请注明身份，另有海内外微生物PI群供大佬合作交流。技术问题寻求帮助，首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路，仍未解决群内讨论，问题不私聊，帮助同行。

点击阅读原文，跳转最新文章目录阅读