宿主-菌群藏“四角戏”,母乳抗体背后有玄机!
赵文婧 | 热心肠智库专家 2020-01-03
时长:15:30 字幕:刘婧 审校:蓝灿辉
关于宿主与菌群的复杂关系的认知,如何从二元走向三角甚至四角?
赵文婧
中山大学医学院教授
中山大学附属第六医院双聘教授
博士,教授,博士生导师,中山大学“百人计划”中青年杰出人才。长期致力于研究病原菌、宿主天然菌群、宿主之间的互作关系,首次揭示了肠道病原菌模式生物霍乱弧菌在动物体内通过六型分泌系统(T6SS) 杀灭肠道天然菌群的现象,为研究病原菌与菌群互作开辟了新的视角。主要成果发表在Infection and Immunity, BMC Microbiology, Applied and Environmental Microbiology,以及 Science等主流学术刊物上,并被多家媒体广泛报道。
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由G30资助
本演讲由G30企业提供资助,并受到民福社会福利基金会的大力支持和协助。
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图文实录

大家好,我是赵文婧,来自于中山大学医学院。

自从十多年前,我开始接触科研,就跟细菌打交道。从一开始的肠道病原菌、益生菌,到后来的肠道菌群。

所以今天,我想以一个病原生物学领域科研工作者的身份,跟大家分享一点我这些年的科研所得。 

我上大学那会儿呢,主要就是按照这个逻辑来学习微生物学和免疫学这两大学科的。

在微生物学这个学科当中,主要是通过介绍经典的病原微生物以及它们的致病机制来学习的,同时也包括了机会性致病菌;免疫学是介绍了宿主免疫的发育过程,以及应对病原微生物宿主的先天免疫和后天免疫是如何应答的。 

这张密密麻麻的 Slide(幻灯片)到底显示了些什么呢?

它是介绍了肠道病原菌的一些毒力因子,而这些毒力因子如果丢失的话,病原菌就没有办法干坏事了。在这其中主要是有两类,一类是黏附素,一类是外毒素。

在实验室当中,如果我们利用基因敲除的手段将编码这些毒力因子的基因敲除掉,致病菌就没有办法导致宿主产生疾病。所以呢,当我们研究一个潜在的致病菌或有害菌的时候,我们基本上会问两个非常基本的问题。

第一个问题就是,这个细菌是否需要在肠道当中定植?如果需要定植,方式又是怎样的?需要借助哪些毒力因子帮助它定植?

第二个非常基本的问题就是,它会分泌哪些毒素?包括外毒素或内毒素等等。 

随着测序技术的革新和进步,近二十年来,微生物组学科也逐步发展和壮大起来了,我们对于人体微生物组也有了更加深入和广泛的认识。

人体微生物组主要指的就是和我们人体共生的微生物,包括细菌、真菌、病毒甚至是古菌等。人体微生物群Microbiota现在被认为是人体的一大器官,人体微生物组Microbiome是被认为是人体的第二大基因组。

所以,这些微生物都在不同的层次上与我们人这个机体相互作用,维系着身体健康。 

所以两角戏势必发展成了三角戏——宿主免疫、有害菌以及人体的共生菌群。

随着研究的广泛和深入,我们发现,共生菌并不是每时每刻都是对我们机体有益的,有些时候,这些共生菌会促进疾病甚至是导致疾病。我们把这类共生菌叫作Pathobionts(致病共栖菌)或者是有害共栖菌,这个顾名思义嘛,它就是具有致病潜能的共生菌。

正常情况下,它跟我们的机体互利共赢、和平相处。但是一旦机体发生变化,比如说,我们的基因有了突变或者是这些细菌生活生长的环境发生了改变,这些共生菌就会干坏事。

那大家可能会说:咦,这个跟机会致病菌是不是很相近?

实际上呢,有害共栖菌是导致长期感染、慢性炎症的原因;机会致病菌主要是引起一个急性感染的。2017年的时候,杨瑞馥老师与毕玉晶老师撰文专门解释和介绍过这个概念。

有害共栖菌这个概念对于我这么一个病原生物学研究出身的人来说是非常有意义的,因为我可以借助我之前研究经典病原菌的方法、思路和技术去研究现在的有害共栖菌或共生菌。 

有害共生菌或共栖菌又是利用哪些毒力因子去作用于宿主呢?我给大家介绍两三个例子。

具核梭杆菌可以分泌黏附素,黏附素是这个有害菌的一大毒力因子,然后这样后,它可以吸附在宿主细胞表面;同时具核梭杆菌又可以分泌内毒素和外膜蛋白,它们都可以作用于机体的上皮和免疫细胞,抑制免疫反应,促进疾病的发生和发展。

第二个例子是肠产毒性脆弱拟杆菌,它是可以粘附在宿主细胞表面,并与其它的细菌一起形成生物被膜;同时它可以分泌叫Fragilysin的一个外毒素,这个毒素可以促进活性氧分子在宿主细胞当中的聚集,促进宿主的DNA突变,进一步导致肿瘤的发生和发展。

还有一个就是产pks毒素的大肠杆菌,它可以分泌外毒素pks毒素,作用于宿主的免疫细胞,降低它的修复能力,促进细胞的增殖,最终导致了Tumor(肿瘤)的产生和发展。 

上面这些例子都是有害菌和有害共栖菌如何利用这些比较经典的毒力因子去作用于宿主细胞的。

那我们现在换一个角度,在这个多角戏当中,无论是经典的病原菌,还是机会性致病菌或有害共栖菌,进入肠道面临的第一大问题就是,这些有害菌是如何与这些共生菌相互作用的?这是个永远绕不开的问题。 

菌菌互作的方式简单来说,按照接触与否分为接触依赖的作用方式和非接触依赖的作用方式。

对于接触依赖又有两种比较主要的方式,一种是叫作接触依赖抑制,还有一个是VI 型分泌系统。

这两个作用方式的共同点就是攻击细菌可以将毒素分泌到或者是靶向运输到靶细菌当中,导致靶细菌的生长抑制或者是死亡。

但是由于这两种作用方式攻击细菌,它自身都会产生免疫蛋白,可以用免疫蛋白来拮抗这些毒素,使自己免于受到伤害。

这张图显示的是在显微镜下攻击细菌如何利用VI 型分泌系统来攻击靶细菌的。

绿色的是攻击细菌,红色的是靶细菌,VI 型分泌细菌的杀菌能力是非常高效的,在一个小时之内靶细菌的数量可以降低4-5个数量级。 

后续我们实验室就是探究发现病原菌可以利用VI 型分泌系统去杀伤宿主的共生菌群,然后这个杀伤作用可以促进病原菌的定植和毒力的表达,这个杀伤作用同时也会诱导微环境下的宿主先天性免疫反应,促进更加严重的疾病反应。

上面我们讲的是经典的病原菌利用接触依赖的方式来杀伤天然菌群。

那我们非常关心的就是在天然菌群当中这些接触的方式,比如说VI 型分泌系统是否发挥着什么作用呢?

我们都知道,拟杆菌属在我们成人的肠道菌群当中占到了20-80%不等,那VI 型分泌系统和一种抗菌肽的分泌实际上是调控了拟杆菌属种间、种内组成成分和数量的两种非常重要的方式。

上面介绍的是接触依赖作用方式的菌菌互作方式,那下面我们简要地介绍一下非接触依赖的方式。 

比如,主要是通过分泌一些细菌素或者是信号分子,再或者是代谢产物来抑制有害菌的定植、毒力基因的表达等等。

同时肠道当中微生物与微生物之间的作用方式是多种多样、非常复杂的。

这两个图中,主要讲的是前一段时间段屹博士和他们的课题组用噬菌体靶向杀灭分泌Cytolysin的Enterococcus这个细菌。

同时石博士(石振达博士 )团队也发现,SFB细菌通过不同的大概有三种作用方式可以降低病毒的侵袭力,保护了宿主。

上面我讲的这些例子呢,其实都主要是微生物和微生物之间的相互关系。这些研究成果其实足以证明,单纯的微生物和微生物之间的作用关系意义就非常重大了,它们可以直接促进或者是抑制疾病的发生和发展。

那其实还有一个非常重要的领域是,这些共生菌是如何跟宿主相互沟通、相互作用的? 

其实一般情况下呢,共生菌是有益的,它们起到了教育或者是培训宿主免疫系统的一个作用,今天我们不过多地来阐述这方面的研究。

大部分情况下,我们看到的是图上这种三角的互作关系,但是随着研究的深入和广泛,很多时候它涉及到更复杂的一个作用体系。 

现在呢,我想简单地介绍一下我们近期的一个成果,其实涉及到了一个四角戏,即一个共生菌、两个宿主同时还有有害菌。

首先,先跟大家介绍一下我们研究的背景。

我们知道新生儿的免疫系统是非常脆弱的,主要是由于他自己在出生之后的几个星期之内呢,没有办法自己产生自源性的、丰富的抗体,同时他的菌群多样性非常的低。所以这也就导致他的免疫系统很脆弱,很容易受到外来病原微生物的侵袭。

在新生儿出生之际,其实母体通过胎盘传递和母乳传递已经将母源性抗体传递给了新生儿,所以这些母源性抗体成为他体内的第一道防线之一。

之前的这些研究主要都集中在Secreted(分泌型) IgA,在对病原微生物的抵抗作用上对于母源性的IgG的探讨是比较少的。

同时,我们之前大部分的研究都集中在母体接受了疫苗之后,新生儿接受的这种特异性被动免疫的基础上,而由母体天然菌群诱导的天然抗体是如何保护新生儿的这个领域被涉及得很少,被研究得很少。

所以基于这个背景下呢,我们就提出了我们的科学问题:通过母体天然菌群诱导的母体天然抗体群通过胎盘传递或者母乳传递给了新生儿之后,这些母源性抗体在新生儿体内是否可以保护新生儿免于病原微生物的感染呢?

这是我们提出的科学问题。 

我们构建了两组老鼠。

一组老鼠是母体可以产生自源性抗体,那它Delivered(生育)的小老鼠就可以携带母源性抗体;另外一组小鼠,母体母鼠有B细胞缺陷,它没有办法分泌自己的自源性抗体,所以它的新生儿是没有接受到这个母源性抗体的。

我们发现母源性抗体可以很大程度上保护新生儿免于病原菌的感染,提高了它们的生存率。 

进一步的研究发现,在这些母源性抗体当中,不是我们经常谈到的Secreted  IgA(分泌型IgA),主要是IgG发挥了这个保护作用,这个是比较惊喜的一点。

同时,作为微生物学出身,我们非常关心是哪些共生菌诱导产生的这些母源性抗体,传递给新生鼠起到了这个保护作用呢?

我们通过分析,然后筛选并分离出来了一些细菌,然后最终通过实验验证表明,是一个叫做Pantoea1的这个菌株和特定的病原体有交叉免疫原性,所以我们就Locate(定位)到这个细菌了。

我们将这个细菌制成疫苗并打给无菌母鼠,然后这个无菌母鼠就会产生针对Pantoea1这种菌株的抗体。它传递给新生鼠之后,我们惊喜地发现,由共生菌产生的抗体可以保护新生小鼠免于另外一种细菌的感染。

我们最终也鉴定出来,由于这个Pantoea1和特定性的病原菌存在一个蛋白质上的交叉的免疫原性,鉴定出来这个Epitope(表位)。 

所以简单总结一下,这个研究就是母鼠当中的天然菌群诱导了一系列的母体天然抗体。

(母体天然抗体)通过胎盘和母乳传递给新生鼠之后,新生鼠在接受外来的另外一种细菌感染的情况下,由于它存在一个具有交叉免疫原性的抗体,可以保护新生鼠免于这个病原菌的感染。 

我们认为这个研究的主要意义在于以下几点:

第一点其实就是在分子机制上证明了一个多样性丰富的母体菌群对于下一代新生儿是多么的重要,因为你可能产生更加丰富的抗体组直接传递给新生儿。所以这也提出了科学减抗、替抗的必要性,尤其是在保护母体肠道菌群这个角度上。

第二个意义呢,我们认为就是干预母体菌群是一种比干预新生儿菌群更安全的方式。我们可以通过干预母体菌群间接地影响新生儿免疫系统的能力,尤其是对抗外来病原微生物的干扰的能力。

我上面讲的所有这些主要就是讲了肠道丛林当中的各种法则,各个方跟其它方的一个互作机制。

当然呢,我们绝对不仅仅地停留在机制的研究上,我们想要的更多。我们希望通过机制的研究使得我们更好地利用这些机制,提高靶向干预的基础。

所以阐明机制只是一个开始,我们好戏在后面。

最后呢,我想感谢我的导师和我的合作者,还有我的这个团队,没有他们,我们现在所做的这些都是不可能的。

我们目前这个课题组也是利用跟医院紧密地合作,利用丰富的病人样本,继续探究肠道微生态与重大疾病的机制的研究,期待为靶向干预提供靶点以及技术支持。

 最后,我想感谢两个巨人。

一个巨人是国内外奋斗在肠道微生态研究的第一线的科研工作者们。我们目前所学所得或者是即将进行的研究都是在他们这些基础上开展起来的,没有他们就没有我们下面的这些研究。

同时,另一个我要感谢的巨人就是研究植物微生态、动物微生态、海洋动物微生态、昆虫和鸟类微生态的这些同行们。他们的这些微生态的研究给予我们人体微生态的研究很多帮助,提供了非常大的借鉴和指导的意义。

所以,我希望在这个荆棘密布的肠道丛林当中与这些巨人同行,共同探究肠道微生态与人类疾病健康的互作机制,然后,我也希望为维系我们人类健康做一点事情。

最后,谢谢大家!

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