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Science:肠道益生菌通过相分离促进在肠道中的生存

作者:王聪 来源:“生物世界”公众号 日期:2023-03-23
导读

         肠道菌群对人体健康发挥着至关重要的作用,目前已有多项正在进行的临床试验旨在通过调控肠道菌群来治疗各种疾病。

        肠道菌群对人体健康发挥着至关重要的作用目前已有多项正在进行的临床试验旨在通过调控肠道菌群来治疗各种疾病。然而,我们目前对于肠道益生菌如何成功在肠道中定植的因素和机制仍知之甚少。多形拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)是人类肠道中最丰富的共生益生菌之一,通常在瘦削和健康个体的肠道中存在。

        对肠道菌群的治疗性调控对于人类健康具有巨大的潜力因此细菌在肠道中定植的机制为临床干预提供了有价值的靶点。

        2023年3月16日耶鲁大学医学院的研究人员在 Science 上发表了题为:Bacteria require phase separation for fitness in the mammalian gut 的研究论文。

        该研究发现,细菌利用相分离来增强对哺乳动物肠道的适应性。与人类共生的益生菌多形拟杆菌在小鼠肠道中的适应性依赖于转录终止因子Rho的相分离。这项研究结果揭示了相分离对宿主-共生细菌相互作用至关重要,揭示了益生菌在肠道中定植的新机制,这一发现有助于促进新的益生菌疗法的开发。

        细胞通过改变基因转录情况对环境信号做出反应。在革兰氏阴性菌中,转录终止因子Rho是一种必要的RNA解旋酶,在执行调控决策时终止基因和操纵子末端以及mRNA的前导区转录。

        多形拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)的Rho蛋白不同寻常,因为它拥有一个大的、内在无序区域(IDR),而在广泛研究的细菌(例如大肠杆菌和沙门氏菌)则不存在。

        在这项最新研究中,研究团队探索了内在无序区域(IDR)如何影响Rho蛋白的功能及其帮助多形拟杆菌在肠道中成功定植的能力。

        研究团队设计了一个缺乏Rho IDR(ΔIDR)的多形拟杆菌,它们可在实验室培养皿中培养,但在无菌小鼠的肠道中,它们很容易被被表达Rho的野生型多形拟杆菌所击败。

        值得注意的是,研究团队在无菌小鼠中植入了13种复杂细菌群落(代表人类肠道菌群中主要细菌门类),结果显示,ΔIDR多形拟杆菌也被野生型多形拟杆菌击败而难以定植。这些结果表明了多形拟杆菌在哺乳动物肠道中的适应依赖于Rho IDR。

        内在无序区域(IDR)通常存在于RNA结合蛋白中,可通过液-液相分离(LLPS)驱动无膜细胞器的形成。野生型Rho在体外形成液滴取决于盐和蛋白质浓度以及RNA的存在,而ΔIDR Rho即使在蛋白质浓度高20倍的情况下也不会形成液滴。免疫荧光实验显示,面临碳源饥饿的小鼠会出现Rho凝集,而ΔIDR多形拟杆菌在所有测试条件下,ΔIDR Rho在细菌细胞质中均匀分布而不凝集。因此,Rho在在体内和体外以IDR依赖的方式相分离。

        为了确定Rho IDR和相分离在Rho转录终止活性中所起的作用,研究团队使用不同的模板、纯化WT Rho和ΔIDR Rho,以及相分离和非相分离条件进行了体外转录终止实验。在相分离条件下,野生型Rho比ΔIDR Rho更有效地终止转录。相比之下,野生型Rho和ΔIDR Rho在非相分离条件下表现出相似的终止效率。某些模板上的终止只在相分离条件下发生,而其他模板上的终止在两种条件下都发生。因此,将野生型Rho隔离到相分离区域中增加了Rho的转录终止活性,并且对于某些模板中的终止是必不可少的。

        为了确定Rho IDR在多形拟杆菌在肠道中发挥的基因调控作用,研究团队对从小鼠盲肠中获得的野生型和ΔIDR Rho多形拟杆菌进行了RNA-seq分析。该分析确定了数百个受IDR调控的细菌基因,包括肠道健康所需的几个基因,例如那些负责获取多形拟杆菌无法合成的特定维生素和/或指定参与中央细胞途径的蛋白质,例如氨基酸和小分子的生物合成和蛋白质稳态。

        总的来说,该研究揭示了Rho相分离作为多形拟杆菌及其他潜在共生细菌用于在哺乳动物肠道中成功定植的分子机制。多形拟杆菌的转录终止因子Rho的内在无序区域(IDR)对于相分离是必要且充分的。此外,IDR对细菌基因的调控至关重要。这些研究结果结果揭示了相分离对宿主-共生细菌相互作用至关重要,并与新的临床应用有关。

        研究团队表示,相分离这种现象已经广为人知,通常与植物、动物和真菌等真核生物的压力应激有关。而最近我们意识到相分离也可以发生在细菌中,这项最新研究确定了发生在共生肠道细菌中的相分离,并确定了共生肠道细菌通过相分离促进在肠道中的生存。这些发现有助于促进开发肠道健康的新的益生菌疗法。

        原始出处:

        EMILIA KRYPOTOU, et al.Bacteria require phase separation for fitness in the mammalian gut. SCIENCE, 16 Mar 2023, Vol 379, Issue 6637, pp. 1149-1156.

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