腸道噬菌體組與人體健康

王悅，陳倩

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院免疫學(xué)與微生物學(xué)系， 上海 200025

人體腸道是目前已知微生物群密度最大的微生態(tài)環(huán)境，該環(huán)境中人體細(xì)胞、細(xì)菌、古細(xì)菌、原生動物、真菌及不具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒(如噬菌體)以動態(tài)平衡狀態(tài)共存，它們彼此之間的相互作用對人體健康有著十分重要的影響，其中細(xì)菌及噬菌體是人體微生態(tài)中最為豐富的組分[1]。目前腸道微生物群的穩(wěn)態(tài)失衡已被證明與多種疾病有關(guān)，相關(guān)研究主要著力于探究穩(wěn)態(tài)失衡發(fā)生過程及如何恢復(fù)其平衡狀態(tài)[2]。

大量的宏基因組數(shù)據(jù)表明，噬菌體是人體微生態(tài)系統(tǒng)中最多樣化卻仍未被準(zhǔn)確識別的成分[3]。了解腸道微生物群中噬菌體群落的結(jié)構(gòu)與功能對于我們更系統(tǒng)地了解人體微生物組，并應(yīng)用于人體健康相關(guān)的研究或產(chǎn)業(yè)均至關(guān)重要。近年來，人體噬菌體組尤其是腸道噬菌體組正在成為微生態(tài)學(xué)研究中新的熱點(diǎn)。

人體噬菌體組是指不同生態(tài)位噬菌體群的基因組及整合在宿主菌基因中噬菌體遺傳元件(原噬菌體)的總和。目前，噬菌體組的相關(guān)研究除涉及其與人體健康或疾病狀態(tài)關(guān)系外，還包括不同人群體內(nèi)腸道噬菌體組成結(jié)構(gòu)和豐度的差異、噬菌體在微生物群落演化過程中發(fā)揮的作用和相關(guān)機(jī)制等。

1 人體腸道噬菌體組的組成特征及其對人體健康的影響

研究人員通過觀察和分析發(fā)現(xiàn)人體糞便樣品中分離的病毒顆粒主要以噬菌體為主[2]。目前已知的腸道噬菌體組主要由DNA噬菌體組成，其中大多數(shù)屬于有尾噬菌體目(Caudovirales)和微小噬菌體科(Microviridae)[4-5]。此外，家庭成員等共享生活空間的個體傾向于有更為相似的腸道噬菌體群[6-7]。Norman等在來自不同地域的健康個體中鑒定出23個“核心噬菌體”(>50%的個體共有)和155個“常見噬菌體”(20%～50%的個體共有)，并由此提出健康腸道噬菌體(healthy gut phageome, HGP)的概念[8]。當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)的在全球分布最廣泛的腸道噬菌體是一種可感染擬桿菌目細(xì)菌的新型噬菌體，稱為crAss樣噬菌體(crAss-like bacteriophages)[9]。健康個體中存在的這些共有噬菌體引發(fā)人們對其在維持人體健康方面所起作用的思考。同時，腸道噬菌體組也存在一定程度的個體特異性，研究發(fā)現(xiàn)幾乎每個個體的腸道噬菌體組中有超過50%的噬菌體成員是相對獨(dú)特的，并且噬菌體類型多樣性和出現(xiàn)頻率呈現(xiàn)高度的個體差異[3, 10]。

腸道中的常駐噬菌體組對人體健康有著諸多積極影響，甚至可以幫助人體抵御病原體的侵襲。前噬菌體是噬菌體在健康人腸道中存在的主要形式，為其宿主提供生存優(yōu)勢且改變噬菌體-細(xì)菌動力學(xué)[11-14]，通過自身在宿主之間的水平轉(zhuǎn)移進(jìn)行有益基因的傳播，賦予人體抵抗外來病原體的能力[15-16]。Barr等提出了一種與腸道裂解性噬菌體相關(guān)的防御致病菌模型：噬菌體顆粒黏附于黏膜并減少自身擴(kuò)散運(yùn)動，以賦予人類上皮組織防御病原體感染的能力[17]。研究還發(fā)現(xiàn)噬菌體直接導(dǎo)致其宿主菌豐度變化，通過細(xì)菌間相互作用引起級聯(lián)效應(yīng)，進(jìn)而使其他腸道細(xì)菌豐度隨之發(fā)生改變；并且能通過引起微生物群變化而間接地對腸道代謝產(chǎn)生影響[18]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)烈性的大腸埃希菌T4噬菌體還可以發(fā)揮免疫抑制作用，參與腸道免疫細(xì)胞的下調(diào)和炎癥反應(yīng)的控制[19]。對于健康或疾病等不同機(jī)體狀態(tài)下的腸道噬菌體組進(jìn)行分析，有助于加深我們對健康狀態(tài)下腸道噬菌體組的認(rèn)識，并為從疾病狀態(tài)中恢復(fù)人體微生物群平衡提供思路。

2 人體腸道噬菌體組年齡依賴性的演替

已有研究表明在生命最初的2～3年內(nèi)，健康的新生兒體內(nèi)從近乎無菌的狀態(tài)發(fā)展為具有成熟穩(wěn)定的多樣性微生物群的狀態(tài)；并且人體微生物群可隨著機(jī)體年齡增長所產(chǎn)生的一系列內(nèi)環(huán)境變化而逐漸形成老年期的結(jié)構(gòu)特征[20-21]。Breitbart等對1周～3個月內(nèi)嬰兒的腸道噬菌體進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示新生兒的腸道噬菌體多樣性極低卻有著較高的活性[22]。另外兩項(xiàng)研究分別檢測了人類個體生命最初2年和2.5年內(nèi)的微生物群的動態(tài)變化，結(jié)果表明嬰兒出生后(1～4 d)腸道迅速被噬菌體定植，且相比于成年個體，嬰兒間的腸道噬菌體組更為相似[23-24]。Lim等發(fā)現(xiàn)人體腸道噬菌體的豐度在生命最初1～4 d最高，而后可能是這種噬菌體群的高度多樣性不受環(huán)境內(nèi)低豐度微生物等的支持，導(dǎo)致噬菌體捕食壓力的產(chǎn)生和多樣性的下降，這也表明微生物群成員豐度的增加和微生物群組成的變化推動了噬菌體群的轉(zhuǎn)變[23]。在人體發(fā)育過程中，腸道內(nèi)有尾噬菌體目(Caudovirales)成員多樣性的減少，并伴隨著微小噬菌體科(Microviridae)噬菌體多樣性和豐度的增加，以及整體微生物群組成的變化[2]。嬰兒腸道微生物群的成熟以病毒組分豐度和多樣性的降低以及細(xì)菌組分豐度和多樣性的增加為特征[25]。但對于生命初期腸道噬菌體的高豐度和低多樣性的特征仍沒有研究可給出合理解釋[3]。

腸道噬菌體組的結(jié)構(gòu)隨著年齡而呈現(xiàn)不同的群落特征[26]。但我們對于噬菌體組在微生物群從成熟期到老年期演化過程中的作用和變化情況知之甚少[3]。

3 人體腸道內(nèi)噬菌體組與某些疾病存在關(guān)聯(lián)

在健康人體腸道內(nèi)，正常情況下應(yīng)只有一小部分前噬菌體被誘導(dǎo)激活，成為獨(dú)立的胞外噬菌體，已有科學(xué)家提出腸道中前噬菌體誘導(dǎo)活化的比率增加或者裂解性噬菌體的占比增加將導(dǎo)致噬菌體群失調(diào)，且這種失調(diào)與許多疾病相關(guān)[2-3](見圖1)。有研究人員提出以群落改組模型來解釋前噬菌體誘導(dǎo)活化率增加導(dǎo)致人體轉(zhuǎn)向疾病狀態(tài)的過程，即假定前噬菌體的誘導(dǎo)活化比例增加后降低共生菌與致病菌的比例，從而引起腸道微生物群組成的變化[27]。

The light blue part represents the prophage reservoir of the human intestinal tract, and the dark blue part represents the extracellular phage particles. A: Lytic phage. B: Extracellular phage produced by prophage-induced activation in a healthy state. C: Increased extracellular phage produced by prophage-induced activation under disease conditions.

圖1 健康或疾病狀態(tài)下的人體腸道噬菌體組

Fig.1 Human intestinal phageome in healthy or disease states

研究表明，腸道內(nèi)前噬菌體的激活誘導(dǎo)與周圍環(huán)境壓力有關(guān)，比如飲食、抗生素、疾病相關(guān)炎癥等[2, 28]。此外，疾病狀態(tài)也會影響腸道噬菌體組。比如克羅恩病(Crohn’s disease，CD)、潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis, UC)等腸道疾病患者體內(nèi)腸道噬菌體組與健康人之間存在明顯差別[8, 29-32]。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)白血病、糖尿病及一些涉及呼吸和循環(huán)系統(tǒng)的非腸道疾病患者體內(nèi)也存在腸道噬菌體群的改變[8, 29, 33-36]，見表1。近年來，許多研究結(jié)果突出了腸道噬菌體組作為健康或疾病狀態(tài)的生物標(biāo)志物的潛力[37]。然而，目前相關(guān)研究僅停留在基于種群豐度的關(guān)系和變化趨勢上，驅(qū)動變化產(chǎn)生的機(jī)制仍然未知。

表1 疾病相關(guān)的腸道噬菌體組變化

Tab.1 Diseases-related phageome alterations in patients

DiseaseIntestinalphageomealterationsCrohn’sdiseaseThenumberofextracellularphagesincreasesandtheirdiversityislow,andthedifferencesbetweendifferentindividualsarelarge[8,29-31,33].UlcerativecolitisAmplificationofCaudoviralesphages,butmucosalCaudoviralesdiversity,en-richmentanduniformitydecrease.EscherichiaphageandEnterobacteriaphagearemoreabundantinthemucosa.Avarietyofviruses,suchasphagesassociat-edwithhostbacterialadaptabilityandpathogenicity,aresignificantlyenrichedinthemucosa[32].Someinternal(respiratoryandcirculatorydiseases)diseasesandleukemiaSomepatients’fecescontainasignificanthighnumberoftoxicphagesbelong-ingtomultipleserotypes.Samplescollectedfrompatientsoftencontainmorecoliphages[35].TypeIdiabetesPhageomediversityandrichnessarelow;Therewasnodifferenceintherelativeabundanceofthephageome,butthenumberofphagesvariedgreatly.Thedifferencebetweencasesandcontrolsincreasedwithage[34].TypeIIdiabetesIntestinalMyoviridae,Podoviridae,Siphoviridaeincreasedsignificantly,inclu-ding7corepOTUs,thehostbacteriaarepresumedtobeEnterobacter,Esche-richia,Lactobacillus,PseudomonasandStaphylococcus[36].

4 人體腸道內(nèi)噬菌體組與疾病治療

健康人體內(nèi)的微生物群具備受干擾后建立新型穩(wěn)態(tài)的能力，研究表明腸道噬菌體組可能在此過程中起到促進(jìn)作用[37]。糞便微生物移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)是一種靶向人體內(nèi)微生物群的治療方法，有研究人員跟蹤研究了在FMT治療期間噬菌體組在穩(wěn)態(tài)恢復(fù)過程中的作用，發(fā)現(xiàn)有一些噬菌體成功地從供體轉(zhuǎn)移到患者體內(nèi)并發(fā)揮積極作用[38]。Ott等的研究表明，僅腸道噬菌體組本身可能足以治愈艱難梭菌感染(clostridium difficile infection，CDI)并促進(jìn)健康微生物組結(jié)構(gòu)的恢復(fù)[39]。以上研究均證明了腸道噬菌體組具有恢復(fù)健康微生物組和重建愈后腸道平衡的重要作用。

綜上所述，目前的研究結(jié)果支持健康人和患者之間腸道噬菌體組的豐度和多樣性存在顯著差異的觀點(diǎn)，腸道噬菌體組為揭示不同疾病的機(jī)制、開發(fā)健康和疾病標(biāo)記物以及開展更有效的診斷和治療方法提供了新思路[3]。但仍無法判斷腸道中噬菌體群體的改變是疾病產(chǎn)生的結(jié)果還是疾病的誘因。腸道噬菌體組與健康和疾病之間的復(fù)雜關(guān)系仍需我們進(jìn)一步探索。

5 結(jié)語

目前的研究充分體現(xiàn)了腸道噬菌體組與人體健康或疾病狀態(tài)的密切關(guān)系及在維持或恢復(fù)腸道健康穩(wěn)態(tài)過程中的重要作用。健康人腸道中的噬菌體主要以前噬菌體形式存在，且影響人體健康。但是，腸道噬菌體組相關(guān)領(lǐng)域中還有許多問題仍未解決。比如：腸道不同部位噬菌體群的差異和差異產(chǎn)生的原因，以及它們的細(xì)菌宿主譜；健康人體內(nèi)裂解性噬菌體的來源；腸道內(nèi)噬菌體以前噬菌體為主要形式的成因。

健康人體腸道內(nèi)噬菌體群由核心噬菌體、常見噬菌體和獨(dú)特性噬菌體三類組成，科學(xué)家以此為基礎(chǔ)提出HGP概念。目前，有研究證明腸道噬菌體組本身便足以治愈疾病并促進(jìn)健康微生物組的穩(wěn)態(tài)恢復(fù)，但是，仍未有研究結(jié)果表明不同人種，不同地區(qū)人群的噬菌體組是否存在差異及差異程度。此外，對于腸道噬菌體組在微生物群從成熟期到老年期演化過程中的變化和發(fā)揮的作用還未研究清楚。

相關(guān)研究技術(shù)的發(fā)展決定著腸道噬菌體組的研究進(jìn)展，現(xiàn)已經(jīng)有一系列較為成熟的研究手段。但是目前在腸道噬菌體分類方面的技術(shù)還有待改進(jìn)[40]。此外，宏基因組學(xué)對于噬菌體組研究有著革命性的推動作用，相信隨著宏基因組技術(shù)的不斷完善，對噬菌體組的認(rèn)識也會逐漸深入。

關(guān)于腸道噬菌體與宿主菌的互作動力學(xué)研究，未來應(yīng)著眼于相關(guān)數(shù)學(xué)模型的開發(fā)以及特定細(xì)菌定植的無菌小鼠模型或離體腸道模型的應(yīng)用[41]。此外，也可以利用腸道噬菌體組對微生物組的影響來開發(fā)新型研究手段。如基于噬菌體與其宿主菌的互作關(guān)系，我們可利用噬菌體特異性去除研究對象體內(nèi)的某些細(xì)菌并觀察其表型，為更好地研究人體微生物群中特定細(xì)菌或幾種細(xì)菌組合對人體健康的影響提供合適的模型。

目前，腸道噬菌體組的研究還處于初步階段。相信隨著分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，對腸道噬菌體組與人體健康的關(guān)系將有更深的了解，并會以此為基礎(chǔ)開發(fā)出更有效、更精準(zhǔn)的治療方法。