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微生物学精选（细菌与环境）
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Marie Z. Bao
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Cell 133, 1123 – 1125, June 27, 2008' g' P, E% F: I: l2 S1 l$ f
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细菌是地球上最多样化的生物种群之一，可以在人的消化道和深海热水孔等各种各样的环境中很好地存活。由于细菌已进化成能极好地栖息于寄主环境中并对寄主加以利用的生物，它们也能使寄主发生变化，以便对这些原核生物入侵者的存在做出反应。本期微生物学精选的重点是最近有关细菌与环境的相互作用以及某些细菌为寄主带来益处的发现。( b3 x1 a8 N6 g) N( q: w( g
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在肠道中有几万亿看不见的微生物
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, I5 g" F2 o. n+ y% l 栖息在哺乳动物肠道的微生物达几万亿，它们可提供不被寄主基因组编码的重要酶蛋白，帮助寄主消化营养物。Ley等进行的新研究检测了在食物驱动的哺乳动物种属形成中微生物菌丛的作用。他们检测了包括人在内的60种哺乳动物排泄物的微生物群体，并根据哺乳动物寄主的发展史和食物，使用基于网络的分析，对肠道菌群中的20000种细菌的16S rRNA序列进行分类。研究结果表明寄主的食物和发展史都可影响细菌多样性，细菌群体与其寄主有共同的多样化。来自动物园和野外以及来自各种不同地理区域的哺乳动物包括了杂食动物、食草动物和食肉动物，也包括为了发育而有特殊食物的哺乳动物，如小熊猫和疣猴。食草动物的肠道菌群显示了最大的细菌多样性，其次是杂食动物，最后是食肉动物。具有类似生活方式的不同哺乳动物可产生有类似功能的类似微生物群体，说明获得新的肠道微生物群体可能是哺乳动物适应新生态区域的必要步骤。在这项全球调查中的人与其他杂食灵长类动物归于一类，没有特别的不同，说明我们人类就肠道微生物生态学而言，与其他杂食动物没有显著不同。5 p, p% ~$ C, C+ b, V: |1 f4 q3 E/ \
; y/ G4 v8 j7 u M8 J- yR.E. Ley et al. (2008) Science. Published online May 22, 2008. 10.1126/science. 1155725.
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! b0 v; z9 E7 f肠道炎症的甜蜜治疗4 ]& o3 h+ {6 e9 z" q9 e
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除了帮助寄主生物消化营养物，细菌也在保持寄主健康中有很直接的作用。肠道炎症不但对寄主是有害的，对寄主体内微生物的栖息也有害。Mazamanian等最近报道，通常存在于哺乳动物的下消化道中的脆弱拟杆菌可分泌抑制小鼠肠道炎症（大肠炎）的多糖(PSA)。在CD4+效应淋巴细胞和调节淋巴细胞之间的平衡可保持肠道的免疫系统稳态，防止肠炎。Mazamanian等发现让小鼠服用可活化CD4+效应T细胞的肝螺杆菌或TNBS，可引发大肠炎。但是在使用诱导大肠炎的诱发剂时同时给小鼠喂脆弱拟杆菌，则可防止产生肠道炎症。进一步的研究发现，脆弱拟杆菌胶囊中含量最丰富的多糖是阻断炎症的决定性因素。缺少PSA的脆弱拟杆菌不能制止大肠炎小鼠模型的肠道炎症，但使小鼠口服纯化的PSA可防止肠道炎症。重要的是，Mazamanian等测定了PSA对大肠炎的抑制反应需要某些CD4+ T细胞分泌的抗炎症细胞因子白介素10(IL-10)。这些数据揭示了肠道微生物与寄主免疫系统可形成网络，在肠道微生物菌群的组分和寄主健康之间确实有一定关系。Mazamanian等提出肠道益生微生物的丧失可能引发人肠道炎症类疾病（如Crohn症），微生物因子（如PSA）的免疫调节能力可以作为新的肠道炎症治疗方法的基础。
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S.K. Mazamanian et al. (2008). Nature 453, 620 – 625
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病毒—微生物相互作用中的CRISPR3 d& l' H* p$ r6 [8 ^# W* _' H
; W8 c% H4 p8 i/ `: J1 C8 l8 X5 A7 R' A 和实验室中的单一培养物不同，环境中的细菌存在于因与病毒相互作用而改变的各种微生物群体中。细菌和古细菌有一个抗病毒系统，在该系统中，如果在成簇的规律相间的短回文重复(CRISPR)中的序列（间隔序列）与病毒序列完全匹配，该序列可提供对病毒的抗性。为了检测病毒与其细菌寄主和古细菌寄主相互作用的动力学，Andersson和Banfield用从两种自然水体生物薄膜中微生物群体抽提的DNA，重新构建了合成的细菌、古细菌和病毒基因组序列。这种分析揭示了在该生物薄膜中的病毒是可因广泛同源重组而改变的杂合群体。这种基因组漂移可使病毒规避因微生物CRISPR序列带来的病毒抗性。令人惊讶的是，对微生物CRISPR序列的检测表明每个寄主含有一套不同序列，只有很少几种序列是整个微生物群体所共有的，这说明每种细胞的病毒抗性有所不同。重要的是，Andersson等找到了在整个群体中的某个古细菌种属获得新病毒抗性的指标。他们提出，在CRISPR序列的增加和病毒群体的多样化之间的平衡，赋予了微生物群体的稳定性。由于CRISPR序列不可能增加到对所有的病毒都具有抗性，所以对任何特定病毒抗性的缺失都可为病毒的繁衍提供一条生路。
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: y, r: S" J4 kA.F. Andersson and J.F. Banfield (2008). Science 320, 1047 – 1050% m3 {: E$ z( z! n, ?8 Y% \" U
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. ^% }% N3 d% y" b0 k来自单个蛋白的免疫性 n& x2 b/ ^6 N- [& p1 P; h! ]
: y/ m5 h+ y6 ]. ?) U% x3 S- m 和细菌的寄主一样，细菌本身也是无时无刻不受有害环境条件的挑战，如外源基因的接纳。Cardinale等揭示了一个称为Rho的大肠杆菌转录终止因子对抑制外源DNA的表达非常重要。他们用一种特殊的Rho抑制剂抗生素双环霉素处理大肠杆菌，以便判定Rho的丢失对整个基因组的影响。令人惊讶的是，用抑制剂处理过的细胞（或缺少Rho辅助因子NusA或NusG的细胞）的表达微阵列揭示了基因平行转移所需要的转录或细菌噬菌体序列整合（原噬菌体）所需要的转录有显著增加。Cardinale等发现在用双环霉素处理过的大肠杆菌基因组中，两个特定原噬菌体操纵子的表达是由于在缺少Rho时，RNA聚合酶可以忽略转录终止位点。值得注意的是，在大肠杆菌实验室菌株的基因组中的原噬菌体、转座子和富含插入序列的区域(K岛)的转录终止特别依赖于Rho。对大肠杆菌来说，为什么抑制外源DNA的表达很重要？Cardinale等发现用双环霉素处理过的大肠杆菌可表达通常受到抑制的、为细胞分裂抑制剂（该抑制剂可杀死细胞）编码的原噬菌体基因。缺少这类原噬菌体基因的大肠杆菌品系对双环霉素处理的敏感度大大降低。由于微生物获得抗生素抗性一般是通过抗生素抗性基因在细胞之间的平行转移，这项研究引发了一些很重要的问题。例如，细菌是否有可造成适应性增加和外源DNA序列选择性表达的特定Rho失活机制？
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$ D! [. t/ g$ C/ B0 C& \ \9 oC.J. Cardinale et al. (2008). Science 320, 935 – 938
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欢迎外源DNA
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尽管对细菌来说外源DNA的表达可能引发问题，但外源DNA对另一种生物—蛭形轮虫—的基因组可能是有益的补充。Gladyshev等最近报道，尽管在后生动物中一般很少发生平行基因转移，但蛭形轮虫这种小型活水无脊椎动物的基因组可因其他生物（包括细菌）的基因的掺入而变动。蛭形轮虫是在其生命周期的任何阶段都可抵抗干燥的无性生物。Gladyshev及其同事在分析蛭形轮虫基因组中各种可转座因子时发现，许多蛋白质编码区域与细菌、真菌和植物中为酶编码的基因有很大的同源性。尽管这些基因中的一部分因编码区域的退化而出现异常，但其他一些基因很明显是完整的并具有功能，甚至获得了经过剪接的有功能的内含子。事实上从蛭形轮虫基因组中分离的一个普遍存在的细菌基因拷贝（为D-Ala-D-Ala连接酶编码的Dd1基因）可在大肠杆菌中产生活性蛋白。蛭形轮虫的基因组也含有存在于变形菌中的罕见基因。这些基因的相对方向与变形菌中的基因方向相同，表明它们可能是在一个单一过程中整合进入蛭形轮虫基因组的。有趣的是，在蛭形轮虫基因组中的外源基因集中在端粒区域附近，这说明这些基因可能是通过与蛭形轮虫染色体不受保护的末端（端粒）融合而掺入到蛭形轮虫的基因组中。在蛭形轮虫中观察到的明显的平行基因转移可用来解释缺少有性生殖循环的蛭形轮虫是怎样成功适应各种环境的.6 j e# H( x0 B6 b* P) C
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本文转自建人先生原创，感谢 |
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发表于 2009-4-28 21:57
发表于 2015-6-10 16:54
