人體共生菌及其抗菌分子研究進(jìn)展

劉俊蘭，劉瑤，呂慧穎，劉倩，李敏

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李敏 醫(yī)學(xué)博士，研究員，博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院檢驗(yàn)科主任。國家“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”獲得者，上海市衛(wèi)生系統(tǒng)優(yōu)秀學(xué)科帶頭人、上海市衛(wèi)生系統(tǒng)“銀蛇獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)、“中穗杯”女醫(yī)師科技獎(jiǎng)，并被授予上海市曙光學(xué)者、浦江人才、衛(wèi)生系統(tǒng)優(yōu)秀青年人才、第三屆青年科學(xué)之星及上海交通大學(xué)“SMC晨星青年學(xué)者 (A類)”、上海教委高原高峰“雙百人”等榮譽(yù)稱號(hào)。2005–2008年以博士后身份在美國國立衛(wèi)生研究院工作，并榮獲“Fellows Award for Research Excellence of National Institutes of Health”獎(jiǎng)?，F(xiàn)任中國中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會(huì)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員及感染性疾病檢驗(yàn)診斷學(xué)術(shù)委員會(huì)主任委員、中國婦幼保健協(xié)會(huì)臨床診斷與實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)專業(yè)委員會(huì)副主任委員、上海微生物學(xué)會(huì)理事及臨床微生物學(xué)專業(yè)委員會(huì)主任委員、上海市醫(yī)學(xué)會(huì)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員兼秘書、上海市醫(yī)學(xué)會(huì)分子診斷專業(yè)委員會(huì)委員兼秘書以及上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院檢驗(yàn)系微生物教研室主任等。主要研究方向是臨床重要病原微生物致病機(jī)理及快速診斷，先后在、等國際專業(yè)期刊發(fā)表SCI論著60多篇，主持國家自然科學(xué)基金6項(xiàng)。

人體共生菌及其抗菌分子研究進(jìn)展

劉俊蘭，劉瑤，呂慧穎，劉倩，李敏

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院 檢驗(yàn)科，上海 200127

劉俊蘭, 劉瑤, 呂慧穎, 等. 人體共生菌及其抗菌分子研究進(jìn)展.生物工程學(xué)報(bào), 2018, 34(8): 1316–1325.Liu JL, Liu Y, Lv HY, et al. Research progress in human symbiotic bacteria and its antibacterial molecules. Chin J Biotech, 2018, 34(8): 1316–1325.

隨著耐藥細(xì)菌的出現(xiàn)和廣泛傳播，開發(fā)新型抗菌藥迫在眉睫。分布在人體不同部位的共生菌能夠產(chǎn)生多種抗菌分子以抑制病原菌的定植和感染。人體共生菌的抗菌分子為研發(fā)全新結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制的藥物提供了潛在的資源寶庫，隨著生物信息學(xué)、合成生物學(xué)、基因組學(xué)等組學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)人體共生菌抗菌分子的挖掘也會(huì)更加深入，為解決耐藥問題提供了有效的途徑。文中回顧了目前所發(fā)現(xiàn)的人體共生菌產(chǎn)生的抗菌分子，并介紹了幾種用于挖掘人體共生菌這一天然抗菌藥物的資源寶庫的方法。隨著現(xiàn)代生物工程技術(shù)的發(fā)展，人體共生菌的抗菌分子將會(huì)得到更加全面、系統(tǒng)的探索和應(yīng)用。

人體共生菌，正常菌群，抗生素，抗菌分子

隨著耐藥細(xì)菌的出現(xiàn)和全球性廣泛傳播，許多抗生素失去了原有的療效，感染性疾病的治療也面臨了巨大的挑戰(zhàn)，因此加快對(duì)新型抗菌藥物的開發(fā)和利用迫在眉睫。近年來研發(fā)新型抗菌藥物所取得的進(jìn)展十分有限，且多集中在已有抗生素的結(jié)構(gòu)改造和性能優(yōu)化上，新型抗菌分子很少，無法長期、有效地控制抗生素耐藥性的發(fā)展。

現(xiàn)有抗生素多來源于環(huán)境微生物的代謝產(chǎn)物，只有少部分如喹諾酮類藥物是全合成的抗生素，但環(huán)境微生物這一有限資源在20世紀(jì)60年代已被開發(fā)殆盡[1]。目前對(duì)具有全新結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制的抗生素的研發(fā)尚未取得重大進(jìn)展，處于臨床研究階段的抗生素屈指可數(shù)，因此需要盡快找出全新結(jié)構(gòu)和特異作用機(jī)制的候選抗菌藥物來克服復(fù)雜耐藥菌的問題。

分布在人體不同部位的共生菌群構(gòu)成了抵御病原體的一道防線，隨著宿主和病原體的長期斗爭，人體共生菌群逐漸進(jìn)化成為一種高級(jí)生態(tài)系統(tǒng)，能產(chǎn)生作用于其他細(xì)胞的特有代謝產(chǎn)物，其中一種即抗菌分子。目前對(duì)土壤微生物產(chǎn)生的抗菌分子已經(jīng)有了深入而廣泛的研究，而人體共生菌的抗菌分子結(jié)構(gòu)及功能多樣性的研究還處于起步階段。用生物信息學(xué)技術(shù)篩選人體微生物組發(fā)現(xiàn)其中有上千個(gè)獨(dú)特的未在環(huán)境微生物組中發(fā)現(xiàn)的生物合成基因簇，編碼多種具有生態(tài)學(xué)重要意義的包括抗菌分子在內(nèi)的生物活性分子[2]，是潛在抗菌藥物的豐富來源。

1 人體共生菌及其抗菌作用

人體微生物群是分布在人體各處的多種微生物的總稱，主要為細(xì)菌、真菌、病毒；其中長期與人體共同生活的約100萬億個(gè)細(xì)菌為人體共生菌，其有約800萬個(gè)編碼基因即人體微生物組[3]。人體共生菌與人體健康密切相關(guān)：其菌群組成與腸道疾病如炎癥性腸病、代謝性疾病 (如Ⅰ型糖尿病)、心血管疾病、精神性疾病密切相關(guān)；與病原體競爭營養(yǎng)、阻止病原體粘附定植[4]，分解和吸收宿主無法消化的碳水化合物[5]，合成分泌宿主必需的維生素[6]，對(duì)腸道黏膜免疫和機(jī)體免疫系統(tǒng)都產(chǎn)生動(dòng)態(tài)而持久的影響[7]，同時(shí)還能產(chǎn)生非特異性物質(zhì)和特異性抗菌分子物質(zhì) (如細(xì)菌素) 來等抵御外來病原體的入侵、感染[8]。通過宏基因組學(xué)等多種組學(xué)方法發(fā)現(xiàn)人體微生物組中有編碼3 000多個(gè)新型生物活性分子的生物合成基因簇[2]，表明人體微生物是新型抗生素的潛在來源，但由于多數(shù)細(xì)菌在傳統(tǒng)條件下無法培養(yǎng)和大部分生物合成基因簇在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下基因沉默，實(shí)驗(yàn)室中能測(cè)定到的細(xì)菌生物合成產(chǎn)物僅代表了一小部分。

高等生物中，抗菌肽是天然免疫的組成部分。細(xì)菌產(chǎn)生的抗菌肽被稱為細(xì)菌素，最初被認(rèn)為主要由乳酸菌產(chǎn)生，后發(fā)現(xiàn)多種細(xì)菌都能產(chǎn)生，它們的分子量、結(jié)構(gòu)、作用機(jī)制都有所不同。革蘭氏陰性菌的細(xì)菌素大部分來自大腸埃希菌和其他腸球菌，分為分子量小的小菌素 (Microcin) 和大分子量的大腸桿菌素 (Colicin)；革蘭氏陽性菌的細(xì)菌素被分為Ⅰ型羊毛硫抗生素和Ⅱ型非羊毛硫抗生素[9]。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌素在控制耐藥病原體上有潛在作用[10]，且不會(huì)影響有益微生物，但目前這些抗菌物質(zhì)尚未在臨床運(yùn)用。大部分細(xì)菌素對(duì)同種近緣菌株呈現(xiàn)狹窄的抑制譜，并通過各異的機(jī)制如干擾細(xì)胞壁合成、產(chǎn)生核酸酶、膜打孔等來殺傷有近緣關(guān)系的細(xì)菌，具有微量高效、快速、特異性高的特點(diǎn)。

1.1 腸道菌群中的抗菌分子

正常人的腸道共生菌超過1 000種，主要有擬桿菌屬、放線菌屬、厚壁菌門、變形菌門，其中擬桿菌屬占30%[11]。腸道菌群影響消化系統(tǒng)和黏膜免疫系統(tǒng)的正常結(jié)構(gòu)和功能，產(chǎn)生抗炎癥因子、抗氧化劑和維生素，為機(jī)體提供保護(hù)和營養(yǎng)支持的同時(shí)阻止有害細(xì)菌的粘附和定植。腸道菌群與機(jī)體細(xì)胞之間通過不斷交換營養(yǎng)和代謝產(chǎn)物緊密聯(lián)系，因此腸道共生菌也被稱為“被遺忘的器官”[12]。將有益腸道菌群作為難治性腸道感染性疾病、炎癥反應(yīng)甚至消化道腫瘤的治療和預(yù)防策略正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

加氏乳桿菌產(chǎn)生的Gassericin A是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的對(duì)腸道病原體有殺傷作用的細(xì)菌素，對(duì)包括金黃色葡萄球菌、產(chǎn)單核細(xì)胞李斯特氏菌在內(nèi)的革蘭氏陽性菌有抗菌作用，而不會(huì)損傷腸道正常組織細(xì)胞[13]。羅氏乳桿菌產(chǎn)生的抗菌小分子Reutericyclin在低于1 mg/L的濃度下即可抑制一系列革蘭氏陽性細(xì)菌的生長[14]。Reutericyclin與細(xì)菌素不同，它是非肽類抗生素，能選擇性消散細(xì)菌的跨膜電位從而對(duì)革蘭氏陽性菌有窄譜抗菌作用，同時(shí)能夠耐受蛋白水解酶水解，通過化學(xué)修飾可提高其抗菌活性。Reutericyclin還可快速殺傷普通抗生素難以殺傷的非生長期艱難梭菌[15]。

乳酸片球菌MM33和乳酸乳球菌MM19是從人體腸道中分離出的兩株產(chǎn)細(xì)菌素的菌株，分別產(chǎn)生片球菌素PA-1/AcH和細(xì)菌素nisin Z。這兩種菌株可以有效抑制小鼠腸道VRE (Vancomycin- resistant，耐萬古霉素腸球菌) 的定植，其上清液都有體外抗VRE的活性[16]，因此有望用于控制和根治由多重耐藥菌導(dǎo)致的腸道感染性疾病。乳酸乳球菌產(chǎn)生的一種名為nisin的細(xì)菌素對(duì)許多革蘭氏陽性菌和其他乳酸菌都有抗菌作用，其抗菌機(jī)制多種多樣，已被廣泛用作食品防腐劑[17]；純化的nisin能夠抑制肺炎鏈球菌、金黃色葡萄球菌、萬古霉素耐藥的屎腸球菌、糞腸球菌等多重耐藥革蘭氏陽性病原菌生長[18]。Nisin還能抑制MRSA (Mmethicillin-resistant，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌) 生長，當(dāng)與萬古霉素、環(huán)丙沙星聯(lián)合使用時(shí)具有協(xié)同效應(yīng)[19]，nisin和雷莫拉寧(Ramoplanin) 還具有協(xié)同抗MRSA和VRE的作用[20]。Lacticin3147是乳酸乳球菌產(chǎn)生的一種雙組分羊毛硫氨酸抗生素，通過阻斷細(xì)胞壁合成和膜穿孔的雙機(jī)制微量高效地殺傷艱難梭菌[21]。人體糞便中分離的一株蘇云金芽孢桿菌DPC 6431產(chǎn)生一種新型雙組分窄譜細(xì)菌素thuricin CD，低濃度下即可抑制艱難梭菌生長，其抗菌作用比甲硝噠唑和萬古霉素更強(qiáng)，而對(duì)其他腸道共生菌無明顯抑制作用，對(duì)治療艱難梭菌感染引起的腹瀉和艱難梭菌相關(guān)性疾病 (CDAD) 具有較好的臨床意義[22]。

小菌素 (Microcin) 是腸桿菌產(chǎn)生的分子量低于10 kDa的一類抗菌肽，目前已知的小菌素的結(jié)構(gòu)和抗菌作用機(jī)制都有所不同[23]。目前應(yīng)用較廣泛的益生菌大腸埃希菌Nissle 1917分泌的小菌素能有效抵御腸道有害病原體和抑制炎癥時(shí)腸桿菌的過度增殖，將產(chǎn)小菌素的益生菌引入到患腸道易激綜合癥的患者機(jī)體中有望成為一種新治療方法，同時(shí)還能夠克服耐藥問題[24]。

除了研發(fā)新型抗菌分子，益生菌療法也是解決耐藥問題的有效辦法。豐富的腸道菌群可以通過定植抗性 (Colonization resistance) 與病原體競爭營養(yǎng)和黏附位點(diǎn)來抵御感染。將健康人糞便中的正常功能菌群移植到患者胃腸道內(nèi)，以重建具有正常功能的腸道菌群，實(shí)現(xiàn)患者腸道及腸道外疾病的診療，稱為“糞菌移植” (Fecal microbiotatransplantation，F(xiàn)MT)。作為重建腸道菌群的有效手段，糞菌移植已用于艱難梭菌感染等多種菌群相關(guān)性疾病的探索性研究和治療[25]。

腸道菌群是一個(gè)有待挖掘的豐富天然抗菌物質(zhì)的寶庫，隨著對(duì)腸道菌群的代謝物和與宿主的相互作用的分子機(jī)制的深入了解，將其作為新型抗生素的來源將逐漸成為現(xiàn)實(shí)，為遏制耐藥性的問題提供了有效的途徑。

1.2 陰道菌群中的抗菌分子

陰道菌群在抵御女性泌尿生殖系統(tǒng)疾病中起到關(guān)鍵作用。陰道分泌物中已分離到29種之多的微生物，其中最重要的是乳桿菌，它在健康女性的陰道排出物標(biāo)本中分離率高達(dá)50%–80%。

加氏乳桿菌也是健康人陰道菌群中的主要成員，通過核磁共振、質(zhì)譜、同位素標(biāo)記等方法分離純化和鑒定了其基因組上基因簇的產(chǎn)物lactocillin，它與蠟樣芽孢桿菌所產(chǎn)生的一種高硫青霉素結(jié)構(gòu)類似，對(duì)包括金黃色葡萄球菌 (金葡菌)、陰道加德納菌在內(nèi)的多種病原體都有抗菌作用，而對(duì)正常菌群如乳酸桿菌則無抗菌活性。

羅氏乳桿菌RC-14與金葡菌共培養(yǎng)時(shí)會(huì)抑制金葡菌毒力因子SSL11 (Staphylococcal superantigen-like protein 11) 和agr (Accessory gene regulator，附屬基因調(diào)節(jié)因子) P3啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄，羅氏乳桿菌RC-14的培養(yǎng)上清液中存在能抑制SSL11和P3啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄的小分子物質(zhì)[26]。惰性乳桿菌是正常女性陰道中分離率最高的乳桿菌，它與羅氏乳桿菌RC-14都能破壞陰道加德納菌的生物膜形成，從而降低細(xì)菌性陰道病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[27]。

1.3 皮膚菌群中的抗菌分子

皮膚的共生菌群是包括厭氧菌、需氧菌如 (丙酸桿菌)、兼性厭氧菌 (如葡萄球菌) 在內(nèi)的復(fù)雜而獨(dú)特的系統(tǒng)，細(xì)菌間通過小分子物質(zhì)介導(dǎo)細(xì)胞間信息傳遞和競爭，這種相互作用有益于維持皮膚微生物群的平衡。

在表皮葡萄球菌中純化和鑒定出了一種表皮素 (Epidermin) NI01，NI01耐蛋白酶水解，理化性質(zhì)穩(wěn)定，在納摩爾濃度下即可發(fā)揮對(duì)MRSA、VRE等常見耐藥菌的抗菌活性，且敏感菌株不易形成耐藥性；編碼NI01的結(jié)構(gòu)基因還可以克隆入宿主菌進(jìn)行高效異源表達(dá)[28]。從表皮葡萄球菌中純化和鑒定的epilancin15X，是目前報(bào)道的對(duì)包括MRSA、VRE在內(nèi)的多種病原體的最小抑菌濃度 (Minimal inhibit concentration，MIC) 最低的羊毛硫抗生素[29]。表皮葡萄球菌的另一種細(xì)菌素Pep5不僅可以抑制MRSA，對(duì)凝固酶陰性葡萄球菌也有顯著抑制作用。表皮葡萄球菌除了產(chǎn)生抗菌分子外，還可以分泌溶解酶降解金葡菌等病原體形成的生物膜[30]，可以作為治療皮膚感染性疾病的候選益生菌。

1.4 呼吸道菌群中的抗菌分子

鼻腔中的營養(yǎng)成分比腸道中要低很多，其微生物豐度和多樣性也相對(duì)偏低，因此鼻腔中的優(yōu)勢(shì)菌群可能通過更有效的競爭機(jī)制抑制其他細(xì)菌繁殖。產(chǎn)生抗菌肽是鼻腔細(xì)菌抑制病原菌生長的主要方式，超過80%的鼻腔葡萄球菌分離株能產(chǎn)生抗菌譜各異的活性小分子。

金葡菌攜帶者在人群中的比例高達(dá)50%，并且主要定植在鼻腔，鼻腔攜帶金葡菌的人群的感染風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[31]。莫匹羅星是目前用于抑制鼻腔內(nèi)MRSA定植的主要抗生素，但莫匹羅星耐藥株也在不斷出現(xiàn)[32]。金葡菌A53菌株產(chǎn)生的金葡菌素A53和表皮葡萄球菌素Pep5對(duì)莫匹羅星耐藥和甲氧西林耐藥的金葡菌株都具有抑制作用，兩者還具有協(xié)同作用，聯(lián)合使用可以擴(kuò)大抑菌譜[33]，可用于耐藥金葡菌攜帶者以減少耐藥株傳播。研究發(fā)現(xiàn)鼻腔定植有路登葡萄球菌的人群金葡菌攜帶率明顯降低，路登葡萄球菌產(chǎn)生一種新型環(huán)肽抗生素路登菌素，具有抑制金葡菌定植的作用，對(duì)預(yù)防金葡菌感染有重要價(jià)值。路登菌素還對(duì)多種革蘭氏陽性菌都有高效抗菌活性，包括難治性MRSA、VRE等，且在亞抑菌濃度下不易形成耐藥性。

牙齦、咽喉、扁桃體中定植了上百種微生物，肺部也有共生菌定植[34]。口腔微生物的生物合成基因簇有超過1 000種，人體口腔微生物數(shù)據(jù)庫的建立有助于進(jìn)一步了解這些微生物在疾病和健康中的作用[35]。變異鏈球菌是常駐人類口腔的天然菌群之一，變異鏈球菌UA159血清型合成一種聚酮-非核糖體肽聚合物mutanobactin A，它可以抑制白色念珠菌入侵組織過程中酵母形態(tài)與菌絲形態(tài)之間的轉(zhuǎn)換[36]，從而降低其致病性。唾液乳桿菌UCC118是近來被測(cè)序的一種口腔內(nèi)共生菌，它產(chǎn)生一種IIb型細(xì)菌素Abp118，這種細(xì)菌素在小鼠模型中被證實(shí)可以顯著抑制單核細(xì)胞增生李斯特菌感染[37]。

2 挖掘人體共生菌的抗菌分子的方法

2.1 生物信息學(xué)預(yù)測(cè)

人體微生物組比人體基因組要大100多倍，這些微生物基因顯著影響著人體的生理和代謝過程。Donia等對(duì)人體微生物組的生物合成基因簇進(jìn)行了系統(tǒng)性的篩選，發(fā)現(xiàn)人體共生菌中廣泛存在編碼硫肽類抗生素lactocillin的生物合成基因，該化合物與正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)的抗艱難梭菌的活性藥物L(fēng)FF571結(jié)構(gòu)相似[2]。

對(duì)DNA序列進(jìn)行生物信息預(yù)測(cè)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)后，可通過化學(xué)合成方法來合成一系列“生物信息天然產(chǎn)物” (syn-BNPs) 來檢測(cè)其對(duì)常見人體共生菌和病原菌的抗菌活性。從馬紅球菌和紅平紅球菌基因組的非核糖體肽合成基因簇中分別鑒定出了抗生素humimycinA和humimycinB。Humimycin對(duì)葡萄球菌屬、鏈球菌屬都有抗菌活性。Humimycin的抗菌作用可能是通過抑制金葡菌的必需基因SAV1754的表達(dá)，SAV1754的基因產(chǎn)物是MurJ的類似物，作為翻轉(zhuǎn)酶介導(dǎo)肽聚糖前體定位在細(xì)胞膜外側(cè)[38]。

生物信息學(xué)預(yù)測(cè)方法繞開了實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件和沉默基因簇的問題，為發(fā)掘生物活性小分子提供了新策略。

2.2 基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)

多種組學(xué)方法的綜合性應(yīng)用有助于發(fā)掘和探索更多新型抗生素先導(dǎo)化合物的化學(xué)實(shí)體。隨著人類微生物組測(cè)序計(jì)劃的完成，人們也進(jìn)一步了解了微生物的代謝產(chǎn)物合成酶及其基因的結(jié)構(gòu)、功能，以及人體共生菌基因組中存在著許多未知化合物的相關(guān)基因。槍法基因組掃描技術(shù)已經(jīng)在發(fā)現(xiàn)放線菌屬的新的天然產(chǎn)物合成基因中得到成功運(yùn)用[39]，隨著對(duì)微生物代謝途徑進(jìn)一步了解，基于基因組的掃描技術(shù)有助于進(jìn)一步預(yù)測(cè)該化合物結(jié)構(gòu)，從而針對(duì)性地篩選、分離、純化。

人體共生菌的組成極其復(fù)雜，其基因組多樣性也十分豐富，但多數(shù)細(xì)菌在常規(guī)培養(yǎng)條件下無法分離得到。功能宏基因組學(xué)是一種非培養(yǎng)依賴性的方法，通過抽提微生物樣本中的DNA并進(jìn)行剪切后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的載體，再導(dǎo)入合適的宿主中，根據(jù)重組克隆產(chǎn)生的新活性產(chǎn)物進(jìn)行生物活性水平的篩選從而得到相應(yīng)的目的基因片段。宏基因組學(xué)已被廣泛用于研究環(huán)境中的微生物，近年來逐漸應(yīng)用于人體共生菌的研究中。抑制病原體耐藥性的出現(xiàn)需要深入了解耐藥基因在微生物間如何進(jìn)行傳播，人體腸道微生物是抗生素耐藥基因的“儲(chǔ)存庫”，是人體對(duì)抗生素產(chǎn)生耐藥性的重要原因之一[40]，一旦某些耐藥基因轉(zhuǎn)移到人體病原菌中，將使臨床抗感染治療面臨更多新的挑戰(zhàn)。通過宏基因組功能基因篩選的方法，可以有效檢測(cè)出腸道共生菌中的已知的或者新的耐藥基因[41]，不僅為新藥物的探索和發(fā)現(xiàn)提供了可能的技術(shù)支持，也為探究腸道菌群中的耐藥基因的分布及傳播規(guī)律提供了可靠的方法，對(duì)遏制耐藥病原體的增加至關(guān)重要。

許多嚴(yán)重感染都由定植于體表的機(jī)會(huì)致病菌造成，但目前尚無能高效去定植機(jī)會(huì)致病菌的藥物。通過將代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)結(jié)合得到金葡菌在鼻腔定植過程的代謝譜和主要基因的表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)氨基酸的生物合成尤其是蛋氨酸的合成對(duì)有效定植至關(guān)重要，并根據(jù)其代謝譜合成了人工鼻腔培養(yǎng)基 (SNM3)[42]，從而能在體外詳盡研究鼻腔定植中的代謝過程和監(jiān)測(cè)與其他細(xì)菌的競爭過程，為新型抗菌靶點(diǎn)和化合物的發(fā)現(xiàn)提供了方法支持。

2.3 新型培養(yǎng)方法

目前對(duì)于人體共生菌的抗菌分子研究領(lǐng)域中也存在許多限制。共生菌在人體內(nèi)定植的環(huán)境是復(fù)雜、不穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)變化的，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)方法因其單一的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)無法精確模擬出共生菌本身生存的環(huán)境條件，如腸道菌群中只有15%–20%是可培養(yǎng)的，大部分細(xì)菌無法通過直接培養(yǎng)進(jìn)行鑒定[43]，rRNA和宏基因組研究表明，這些不可培養(yǎng)的微生物多樣性豐富，可能是地球上最大的未知生物寶庫。因此建立和發(fā)展一種非常規(guī)培養(yǎng)方法，可以有效解決大多數(shù)微生物無法培養(yǎng)的困境，對(duì)于目前無法分離得到的抗生素的系統(tǒng)研究至關(guān)重要。

對(duì)基因序列進(jìn)行生物信息學(xué)分析可以發(fā)現(xiàn)共生菌中存在多種合成次級(jí)代謝產(chǎn)物的基因簇，但這些代謝途徑往往在傳統(tǒng)培養(yǎng)條件下不表達(dá)，需要特定的環(huán)境促發(fā)因素才會(huì)表達(dá)，如培養(yǎng)時(shí)加入土壤提取液，會(huì)明顯改變解纖維素梭菌的代謝譜，從中分離出了第一種多硫代酰胺類抗生素closthioamide，對(duì)多重耐藥的葡萄球菌有高抗菌活性[44]。在一種菌株多化合物 (One strain many compounds，OSMAC)策略的指導(dǎo)下，共培養(yǎng)或系統(tǒng)改變培養(yǎng)條件、培養(yǎng)方法 (如添加微量元素和酶抑制劑)、改變培養(yǎng)基等開啟沉默的生物合成基因簇的表達(dá)，為深入開發(fā)共生菌的活性天然產(chǎn)物提供有效手段[45]。目前，該方法已被廣泛用于發(fā)掘海洋微生物、土壤微生物的新的次級(jí)代謝物。

分離芯片 (Isolation chip，ichip) 由數(shù)百個(gè)微型擴(kuò)散室組成，每個(gè)室可接種單個(gè)的環(huán)境細(xì)菌進(jìn)行一段時(shí)間的原位培養(yǎng)，環(huán)境中自然存在的生長因子可以透過半透膜擴(kuò)散到培養(yǎng)室，可用于大量培養(yǎng)和分離環(huán)境中的不可人工培養(yǎng)微生物[46]。

2.4 合成生物學(xué)改造

羊毛硫抗生素(Lantibiotics) 是許多人體共生菌尤其是革蘭氏陽性菌通過核糖體合成的一類抗菌肽，可抑制微生物尤其是革蘭氏陽性菌的生長，并且能有效對(duì)抗耐藥性病原菌如 MRSA和VRE，這類全新結(jié)構(gòu)的化合物有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)抗生素控制耐藥性病原菌。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以化學(xué)合成，使用羊毛硫-修飾酶如LanB、LanC等作為催化劑進(jìn)行肽工程改造正在成為目前羊毛硫抗生素研究的主要方向。如歐洲國家基金委設(shè)立了專門的項(xiàng)目，使用合成生物學(xué)方法用雜交修飾酶對(duì)從羊毛硫抗生素中獲得的肽單元進(jìn)行精確修飾后，組裝成一個(gè)后翻譯體系植入基因組減化的工程菌中，并建立一個(gè)高通量檢測(cè)活性重組羊毛硫抗生素的高自動(dòng)化測(cè)定系統(tǒng)。合成生物學(xué)在抗生素的合成代謝途徑設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。

2.5 核糖體工程

核糖體工程 (Ribosome engineering) 是指向核糖體和RNA聚合酶中引入突變從而影響其基因表達(dá)水平 (原理見圖1)，提高其包括抗生素在內(nèi)的次級(jí)代謝產(chǎn)物或者一些新天然產(chǎn)物的產(chǎn)生，并以抗生素抗性突變篩選為指針，篩選高產(chǎn)突變菌株[47]，同時(shí)該技術(shù)還可以用于發(fā)現(xiàn)未知的抗菌素[48]。隨著對(duì)核糖體工程調(diào)控機(jī)制的進(jìn)一步探究，它將作為一門新的技術(shù)在挖掘共生菌潛能、調(diào)控其代謝產(chǎn)物生產(chǎn)上發(fā)揮巨大作用。

圖1 核糖體工程原理示意圖[47]

3 展望

多重耐藥菌感染的不斷增加是對(duì)公共健康的嚴(yán)重威脅。發(fā)掘人體共生菌的抗菌分子是開發(fā)新型抗生素以對(duì)抗耐藥性的一個(gè)有效策略，以細(xì)菌素為代表的抗菌肽將有望成為新型抗感染治療藥物。抗菌肽殺菌活性特異、作用迅速，通過對(duì)抗菌肽在臨床環(huán)境中的作用機(jī)制、作用模式、毒性作用和免疫原性的深入了解，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展抗菌肽作為臨床抗感染藥物起到重要的作用。由于共生菌長期與宿主共進(jìn)化，擁有特殊的代謝途徑，故很有可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)全新的生理活性物質(zhì)，為研究全新抗菌機(jī)制的藥物提供了寶貴的資源。

通過現(xiàn)代生物工程手段可以對(duì)共生菌的目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行改造優(yōu)化以提高產(chǎn)物質(zhì)量，還能通過代謝調(diào)控、大規(guī)模發(fā)酵等實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因此共生微生物資源的利用和開發(fā)應(yīng)無來源之憂。加速共生菌資源的研究與利用兼具迫切性和戰(zhàn)略意義。

隨著現(xiàn)代化天然產(chǎn)物發(fā)掘技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和新型工具的出現(xiàn)，人體共生菌群這一有待開發(fā)的天然抗菌活性物質(zhì)寶庫將會(huì)得到更加系統(tǒng)、全面的探索和發(fā)掘。

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(本文責(zé)編 郝麗芳)

Research progress in human symbiotic bacteria and their antibacterial molecules

Junlan Liu, Yao Liu, Huiying Lv, Qian Liu, and Min Li

Department of Laboratory Medicine, Ren Ji Hospital, School of Medicine, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200127, China

With the emergence and globally spread of drug-resistant bacteria, the discovery and development of new antibacterial drugs is imminent. The symbiotic bacteria distributed in different parts of the body can produce a variety of antibacterial molecules to inhibit the colonization and infection of pathogenic bacteria. Human symbiotic bacteria provide a potential treasure house of resource for the research and development of new drugs with broad new molecular structures and action mechanism. With the further development of bioinformatics tools, synthetic biology and omics technology such as genomics, the mining of human symbiotic bacteria antibacterial molecules will be more in-depth and provide an effective way to solve the problem of drug resistance. Here, we review the antimicrobial molecules produced by human symbiotic bacteria and introduce several methods to explore the resources of natural antibacterial drugs. With the development of modern biotechnology, the antimicrobial molecules of human symbiotic bacteria will be more comprehensively and systematically explored and applied.

human symbiotic bacteria, normal flora, antibiotics, antibacterial molecules

December 26, 2017;

May 31, 2018

National Natural Science Foundation of China (Nos. 81671975, 81501803, 81772139), Health System Talent Training Program of Shanghai (No. 2017BR001).

Min Li. E-mail: ruth_limin@126.com

國家自然科學(xué)基金(Nos. 81671975，81501803，81772139)，上海市衛(wèi)生系統(tǒng)優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃 (No. 2017BR001) 資助。

10.13345/j.cjb.170520