中大新聞網(wǎng)訊（通訊員丁濤）人體菌群與多種疾病密切相關，精準調(diào)控菌群已經(jīng)成為微生物組學的熱門科學問題。然而，人體菌群多樣性高、人群異質(zhì)性大、組成和功能的動態(tài)復雜，實現(xiàn)菌群精準調(diào)控挑戰(zhàn)巨大；這其中解析微生物群落組裝機制至關重要。細菌群體感應(Bacterial quorum sensing, QS)作為細菌交換信息和相互作用的重要機制，具有普遍性、特異性和調(diào)控能力；但細菌QS是否如何調(diào)控人類微生物群落的組裝過程尚不清楚。
針對這一重要問題，中山大學中山醫(yī)學院丁濤課題組于2023年11月6日 在Microbiome雜志上在線發(fā)表了題為“Bacterial quorum sensing orchestrates longitudinal interactions to shape microbiota assembly”的研究論文。該研究中利用在體外搭建的優(yōu)化的口腔生物被膜（oral biofilm microbiota，OBM）的組裝平臺，真實模擬并追蹤了口腔生物被膜菌群OBM的組裝全過程。結(jié)合體外模型培養(yǎng)，宏基因組測序，高通量數(shù)據(jù)分析以及信號干擾實驗，該研究發(fā)現(xiàn)OBM的組裝過程中，依次處于優(yōu)勢地位的核心菌Streptococcus, Veillonella-Megasphaera group和Prevotella-Fusobacteria group，通過時序性的QS網(wǎng)絡進行信息交流實現(xiàn)菌種間互作，推動菌群結(jié)構(gòu)的序貫演替。
作者利用混合唾液、優(yōu)化的培養(yǎng)基和厭氧工作站模擬人體口腔齦下真實環(huán)境，在體外搭建立了優(yōu)化的體外口腔生物膜微生物群組裝(OBMA)模型，還原了OBM的特征組裝過程，獲得了OBM時序組裝過程中的宏基因組。
圖一：自主設計搭建的口腔菌群組裝體外模型OBMA
作者構(gòu)建了細菌群體感應（QS）通路中信號合成和信號感應蛋白序列參考庫，并將其與時序OBM宏基因組進行同源比對，從中發(fā)現(xiàn)了2291個QS同源蛋白，涉及21條QS通路；這些QS通路大多在OBM中是首次發(fā)現(xiàn)，并在OBM組裝過程中呈現(xiàn)時序富集特點。經(jīng)過對獲得的QS同源蛋白進行物種歸類分析，作者發(fā)現(xiàn)OBM中的QS通路主要來源自菌群組裝過程中時序富集的優(yōu)勢物種，包括鏈球菌、韋榮氏球菌-巨球型菌、普雷沃菌-梭桿菌，這些菌作為核心樞紐構(gòu)建了OBM組建過程中的核心QS縱向通訊網(wǎng)絡；進一步結(jié)合上述核心物種的富集時間、QS信號合成和感應蛋白類別及富集時間，作者發(fā)現(xiàn)QS信號在菌群通訊網(wǎng)絡中是雙向傳遞的，并對菌群組裝過程中的群落結(jié)構(gòu)定向轉(zhuǎn)換具有關鍵作用。
口腔菌群組裝過程中核心菌種通過QS信號分子進行雙向調(diào)控
為了驗證縱向QS網(wǎng)絡在裝配過程中的定向塑造能力，作者利用QS干擾實驗對菌群中的AI-2通訊網(wǎng)絡進行了阻斷干預，發(fā)現(xiàn)干擾淬滅菌群內(nèi)的AI-2信號網(wǎng)絡后，OBM的組裝出現(xiàn)了延遲并且組裝成熟的被膜更為脆弱；其中早期定植的核心菌鏈球菌的增殖延長，而晚期定植的核心菌普雷沃菌和梭桿菌的增殖則被抑制。
該研究揭示了人類口腔生物被膜菌群過程中的縱向時序群體感應（QS）網(wǎng)絡，并通過實驗驗證了QS網(wǎng)絡在預測和操縱菌群裝配過程中的有效性。該工作為揭示自然復雜微生物群聚集的潛在機制提供了新的視角，并為通過干預QS網(wǎng)絡最終精確操縱人類菌群提供了重要的理論基礎。
中山大學中山醫(yī)學院丁濤課題組博士后蘇穎為論文的第一作者。丁濤教授為論文的通訊作者。該項目受到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金和廣東省基礎和應用基礎研究基金的資助。
稍早前，丁濤教授團隊還在Gut Microbes雜志發(fā)表綜述“Targeting microbial quorum sensing: the next frontier to hinder bacterial driven gastrointestinal infections”（第一作者為蘇穎博士后），全面綜述了QS機制在病原菌驅(qū)動胃腸道感染的角色和作用，列舉了在胃腸道菌群中發(fā)現(xiàn)的QS信號以及它們參與調(diào)控菌群生理代謝功能的實例。
該論文討論了病原菌如何通過QS破壞胃腸道微生物群落平衡，菌群如何通過QS機制刺激宿主引發(fā)炎癥及腫瘤轉(zhuǎn)移以及宿主對致病菌群QS通訊的回擊策略。該綜述討論了基于菌群QS研發(fā)新型菌群療法的亟待解決的挑戰(zhàn)，并展望了這項工作的巨大前景和價值。
論文鏈接：
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-023-01699-4
