大连Nature：益生菌清除致病菌的机制的最新研究

研究摘要

益生菌营养通常被认为可改善人类健康。特别是，从食物中获得的活益生菌被认为可减少肠道中病原体的定植，从而降低了对感染的易感性。然而，这些影响背后的机制仍然知之甚少。

本研究发现：（1）益生菌芽孢杆菌的存在可全面减少泰国农村人群体内危险的病原体（金黄色葡萄球菌）的定植。（2）芽孢杆菌脂肽芬荠素（fengycins），可通过抑制金黄色葡萄球菌的群体感应系统进而对其进行消除, 这是一种细菌通过改变基因调节来响应其种群密度的过程。

本研究提供了详细的分子机制, 强调了益生菌营养在减少传染病方面的重要性。我们还提供证据支持益生菌细菌干扰人类的生物学意义，并表明这种干扰可以通过阻断病原体的信号系统来实现。此外，研究结果还提供了基于益生菌的金黄色葡萄球菌非殖民化方法和抗金黄色葡萄球菌感染的新方法。

文中主要图片说明

图1 | 通过膳食芽孢杆菌清除人体内金黄色葡萄球菌定植。

a，在农村人群中收集粪便样品的区域（红色）并分析芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的存在。b，c，用芽孢杆菌进行肠道定植的个体的肠道（b）和鼻腔（c）中金黄色葡萄球菌（黄色）的定殖情况。绿色代表芽孢杆菌定植组，灰色代表对照组。

图2 | 金黄色葡萄球菌肠道定植的群体感应依赖性。

a，小鼠肠道定植模型的实验设计。通过口服强饲法，小鼠接受100μl含有10⁸ CFU ml^-1野生型（WT）金黄色葡萄球菌菌株ST2196 F12和100μl 10⁸ CFU ml^-1的同基因的agr突变体（n = 5 /小组;竞争性实验，如b所示）;或服用200μl含有10⁸ CFU ml^-1野生型，同基因agr突变体或Agr（RNAIII）-实施的agr突变体（每组n = 5;非竞争性实验，如c所示）。在感染后两天，四天和六天确定粪便中的CFU。在实验结束时（第7天），确定小肠和大肠中的CFU。

b，竞争实验。点阵图分别表示肠道和鼻腔中获得的总CFU;还显示了平均值±s.d。柱长还显示了总测定的CFU中野生型的百分比，其中100个菌株被分析四环素抗性（其仅存在于agr突变体中）。在任何实验中都没有检测到agr突变体;因此，所有条形显示100％野生型。鉴于测试了100个分离株，所有情况下野生型/ agr突变体的竞争指数≥100。

c，遗传互补菌株的非竞争性实验。野生型和同基因agr突变株都含有pKX_Δ16对照质粒;Agr补充菌株携带pKX_ΔRNAIII并组成型表达RNAIII，其是Agr的细胞内效应物。在实验过程中，小鼠在饮用水中接受200μgml^-1卡那霉素以维持质粒。使用泊松回归与用agr突变菌株获得的值进行统计学分析。* P <0.0001。数据是平均值±s.d。注意，在用载体对照接受金黄色葡萄球菌Δagr的任何小鼠的粪便或肠中未发现细菌。相应的零值绘制在对数标度的x轴上。

图3 | 抑制银芽孢杆菌脂肽对金黄色葡萄球菌群体感应的影响。

a，Agr抑制实验的实例。如果金黄色葡萄球菌4小时生长后的发光小于或等于对照值的一半（红色箭头），则认为芽孢杆菌分离株是抑制性的。RLU，相对光单位; TSB，胰蛋白酶大豆肉汤（控制条件）。进行了2次重复性实验。均值通过线相连。

b，使用来自枯草芽孢杆菌参考菌株的培养滤液抑制Panton-Valentine leucocidin（PVL）和α-毒素的表达。用来自已经生长4小时的金黄色葡萄球菌培养物的滤液对样品的蛋白质印迹分析。

c，使用来自枯草芽孢杆菌标准菌株的培养滤液抑制酚溶性调节蛋白（PSM）的表达。在金黄色葡萄球菌生长4小时后通过RP-HPLC / ESI-MS测定PSM表达。

d，测试芽孢杆菌培养滤液的Agr抑制能力，所述芽孢杆菌培养滤液的最终浓度代表测试的106株芽孢杆菌分离物中总芬荠素的中值浓度。* P <0.0001

e，106株芽孢杆菌分离株的固定相培养滤液中的总芬荠素浓度（详见扩展数据表1）。

f，与ΔfenA（芬荠素缺陷型）和ΔsrfA（表面活性素缺陷型）菌株相比，枯草芽孢杆菌野生型（WT）的Agr抑制活性。* P <0.0001。注：c，d，f中显示的实验都进行了3次重复性实验。数据是平均值±s.d。

图4 | 芬荠素对金黄色葡萄球菌AIP活性的竞争性抑制。

a，芬荠素对竞争性Agr抑制的模型。agrBDCA操纵子（右下），其表达由P2启动子驱动，编码自诱导肽（AIP）的AgrD前体，其由AgrB修饰和分泌。AIP结合位于膜的AgrC，其在自磷酸化时触发DNA结合蛋白AgrA的磷酸化和活化。除了刺激P2启动子的转录（自诱导）外，AgrA还驱动RNAIII的表达，而RNAIII又调节靶基因的表达，例如编码ClfA，α-毒素和白细胞毒素的靶基因。RNAIII也编码δ-毒素。此外，AgrA以RNAIII非依赖性方式驱动酚溶性调节蛋白（PSM）的表达。

b，芬荠素与AIPs的结构相似性。作为实例示出了β-OH-C17- fengycin B和AIP-1的结构。红色是可以在不同亚型中不同的结构和/或氨基酸。

c，芬荠素通过抑制AgrC起作用。显示了使用agrBD缺失的金黄色葡萄球菌菌株通过含有芬荠素的芽孢杆菌培养物滤液抑制Agr，其中通过外源添加的AIP刺激AgrC。* P <0.0001。

d，通过Agr发光测定法测定，通过增加AIP的量来竞争滴定芬荠素介导的Agr抑制。RLU，相对光单位。

e，通过使用RP-HPLC / ESI-MS的δ-毒素的相对表达测量，通过β-OH-C17-芬荠素B抑制不同Agr-亚型金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌（菌株1457）中的Agr。由于不同菌株中不同的δ-毒素表达水平，将值计算为相对于未添加芬荠素而获得的强度值的百分比。注：c-e，都进行了3次重复性实验。数据是平均值±s.d。

图5 | 在小鼠模型中通过饮食产生芬荠素的芽孢杆菌孢子抑制金黄色葡萄球菌定植。

a，实验设计。每组n = 5只小鼠通过口服强饲法接受200μl10⁸CFUml^-1金黄色葡萄球菌菌株ST2196 F12。在第二天和第四天，通过口服强饲法，小鼠接受200μl 10⁸CFUml^-1的枯草芽孢杆菌野生型（WT）孢子或其同基因fenA突变体。在感染后两天，四天和六天确定粪便中的CFU。在实验结束时（第7天），确定小肠和大肠中的CFU。用（b）或不用（c）抗生素预处理进行实验。

b，c，实验结果。使用泊松回归与用枯草芽孢杆菌WT孢子样品获得的值进行统计分析。* P <0.0001。数据是平均值±s.d。注意，在用金黄色葡萄球菌定植并接受芽孢杆菌野生型孢子的任何小鼠的粪便或肠中未发现金黄色葡萄球菌。相应的零值绘制在对数标度的x轴上。

作者：董小橙   来源：微生太