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解密|肠道菌群与长寿【跨年礼】

谷禾健康

过完今天,这个魔幻的2020就要过去了。面临工作、学习、出行等方方面面一而再地按下暂停键,很多人都希望这一年能够重启。

这一年发生了太多故事

每一个都足以让人痛惜

“活着”、“健康”这样的字眼在这一年显得尤为珍贵。简单的道理往往在经历重大的事件后才会尤为深刻。

古有求仙药,今有各种医疗技术的不断革新,大家对于长寿有着一致的追求。当基本的生活有了一定的保障后,人们不仅想要活得长久,还要健健康康地活着。

我们可以看到,人类的预期寿命已开始延长,并且仍在继续提高。“健康长寿”不再停留于一句祝福语,而是可行的人生目标。

01 关于长寿的研究

长寿是多种变量复杂组合的结果。由于不同地区自然环境、社会制度、社会经济发展状况和人口构成等因素千差万别。

根据相关研究,影响人类寿命的因素至少包括:

遗传因素如线粒体状态、染色体稳定性、端粒长短、疾病、干细胞活性;

环境因素如肠道微生物、饮食、运动、空气质量以及生活环境;

其他因素如情绪压力、社交爱情、目标成就、投入预防等等。

人们在迈向健康长寿的过程中处于不同的阶段和水平。若干年后,也许有相当多的人进入百岁人生。

在2020年的最后一天,我们就来聊聊肠道菌群和长寿的故事。

伊卡里亚岛

伊卡里亚岛

该岛位于萨摩斯岛西南约10海里,这是爱琴海的一个小岛,是世界上寿命最长的地区之一。他们是90岁以上人群中世界上人口最多的国家,百岁老人在岛上已有400多年的历史了。科学家将那里长寿的机会与空气,水,社区精神,饮食习惯和遗传倾向等因素相关联。

意大利

提起意大利,你想到的是足球还是意大利面,其实这个国家还盛产长寿老人,根据欧盟统计,意大利为欧洲第一长寿国,女性平均寿命为84岁,男性平均寿命为78.3岁。

研究发现100岁意大利老人的肠道菌群种类分布与30岁意大利人相比,出现了较明显的变化,厚壁菌门中的拟杆菌XIVa明显减少,而芽孢杆菌上升,身体的炎症反应状况高,因此科学家得出长寿的关键因素:菌群种类的改变,更好的应对和调节炎症反应。

中国 新疆和田,广西巴马,四川都江堰青城山等

中国新疆和田,广西巴马以及四川都江堰市青城山等地区都很大比例的长寿健康老人。动物遗传育种研究所李英团队在《Current Biology》发表的一项关于寿老人和年轻人群肠道菌群研究发现长寿老人肠道菌群多样性和菌群丰度显著高于年轻组,这一结论在意大利相应人群中也得到了证实,提示更多有益菌群以及更丰富的菌群多样性可能是人类健康长寿的重要原因之一。

02 长寿老人肠道微生物群特征

对长寿的研究可能有助于我们理解人类是如何延缓衰老,如何战胜与年龄相关的疾病。

肠道微生物群被认为是监测和可能支持健康衰老的变量之一。事实上,宿主-肠道微生物体内平衡的破坏与炎症和肠道通透性以及骨骼和认知健康的普遍下降有关。肠道微生物群作为健康衰老可能的介质,通过对抗炎症、肠道通透性以及认知和骨骼健康的恶化来保持宿主环境的稳态。

健康老年人的肠道菌群如何定义?

考虑到大多数老年人都患有肠道相关合并症,因此在该人群中定义健康的肠道微生物组极具挑战性。肠道环境的变化,例如炎症,肠道渗漏,活性氧的产生以及药物的使用,都可能影响肠道微生物组。在这方面,健康百岁老人一直被用作健康老龄化的典范,因为他们有能力推迟或避免慢性疾病。因此,该队列中的肠道微生物组可用于定义健康的肠道微生物组。

长寿者肠道菌群多样性水平高

一般认为,随着年龄增长时,肠道微生物多样性通常会降低。可能是由于生理,饮食,药物和生活方式的变化所致。

是不是所有老人的肠道菌群多样性都会降低?

研究人员检测了一群健康的长寿老人的肠道微生物组,来自中国四川都江堰市的长寿老人,包括“90-99岁”和“≥100岁”两个年龄段。

他们发现长寿人群的肠道菌群比年轻成年人的肠道菌群更多样化,这与传统观点相矛盾。


Kong F,et al., 2018; Gut Microbes

他们还发现了产短链脂肪酸菌在长寿老人中开始增加,例如梭状芽胞杆菌XIVa。

国内外研究结果一致

为了验证他们的发现,他们分析了来自一个意大利小组的独立数据集。


Kong F,et al., 2018; Gut Microbes

出现一致的结果:长寿的意大利人也比年轻的人群的肠道菌群多样化水平更高 。

庆幸的是,谷禾肠道菌群数据库中也有比较长寿的老人肠道菌群数据。

我们抽取其中一例相对较为健康的长寿老人的数据:

编号:083*****97 ,98岁(谷禾肠道菌群数据库)

谷禾健康数据库

可以看到肠道菌群多样性水平也是明显增高,与文献报道相符。大部分指标都处于正常水平。

长寿者产短链脂肪酸菌增多

结合意大利和中国的数据集,发现尽管肠道微生物群结构存在显著差异(可能是由于饮食、基因和环境的差异),但区分长寿个体和年轻群体的前50种细菌特征中,有11种特征是相同的。同样,这些特征包括肠道菌群多样性水平更高和几个产短链脂肪酸菌丰度更高


Kong F,et al., 2018; Gut Microbes

一项后续研究中,另外两个独立的队列中也观察到了长寿人群中更大的肠道微生物组多样性:一个来自中国江苏省,另一个来自日本。

以上这些研究都清楚地表明,健康长寿的人存在更多样化且平衡的肠道菌群,而在患有不同合并症的老年人中观察到肠道菌群紊乱。

因此,研究人员假设调节肠道微生物组(如通过饮食、益生菌)来维持健康的肠道微生物组将有利于健康地衰老。

进一步假设,在患有慢性疾病的老年人中,将紊乱的肠道菌群调节为健康的肠道菌群将减轻他们的症状,提高他们的生活质量。

肠道微生物组和健康衰老的有效假设


Deng et al., 2019; Aging

该假设背后的一个基本原理是慢性炎症,即老年人中慢性低度炎症的增加,这与不同的慢性疾病有关。

短链脂肪酸对维持肠道止血很重要。短链脂肪酸为结肠上皮细胞提供主要能量,并具有抗炎特性。这些产短链脂肪酸菌在长寿老人中的富集表明,这些细菌可能会减轻炎症及由此造成的损害,这可能是他们能够健康衰老的原因。

以上我们知道长寿老人的产短链脂肪酸菌增多,那么其他菌群会有什么样的变化?

在门类水平上,大多数研究都证明了变形菌丰度的增加。

 长寿者菌群变化,潜在有益菌较多 

· 不同地区比较:

一项研究分析并比较了长寿村庄中百岁老人与同一地区和城市化城镇中的老年人和成年人的肠道菌群。采集长寿村的百岁老人、老年人和年轻人的粪便样本,以及来自韩国城市城镇的老年人和年轻人的公共数据库获得肠道菌群数据。

与城镇化老年人相比,长寿村老人:

康复医院百岁老人的肠道菌群也不同于居家。这些差异可能是由于饮食方式生活环境的差异。

· 不同年龄比较:

我们来看一项研究,对62个人的粪便微生物组进行宏基因组测序,年龄从22岁至109岁不等。

下图可以看到,随着年龄的增长,肠道微生物群发生了变化。


Rampelli et al., 2020; mSystems

注:4个年龄组的肠道微生物组:

11个年轻人 (22 – 48岁,young); 

中年13人 (65 – 75岁,elderly);

15名百岁老人 (99至104岁, centenarian);

23名半超百岁(105至109岁,semisupercentenarian)

研究人员发现与年轻人相比,长寿者菌群变化如下:

编号:083*****97 ,98岁(谷禾肠道菌群数据库)

我们发现同样,变形菌门增加,另外有益菌如阿克曼菌增多。

03 长寿者肠道菌群代谢相关变化

长寿者碳水化合物代谢相关基因减少

有趣的是,当研究人员将分析集中在功能规模上时,发现与碳水化合物代谢有关的基因减少。


Rampelli et al., 2020; mSystems

这种功能重塑在百岁老人和半超百岁老人的肠道微生物组中更为明显,研究人员观察到淀粉和蔗糖(KEGG途径编号ko00500),磷酸戊糖(ko00030)以及氨基糖和核苷酸糖(ko00520)途径的贡献减少

异种生物降解有关的基因数量增加

同时,研究人员发现了和甲苯(ko00623),乙苯(ko00642),己内酰胺(ko00930)以及氯环己烷和氯苯(ko00361)降解途径的随之增加

乙苯,氯苯,氯环己烷,甲苯是主要来源于工业生产和城市排放的普遍化学物质,由于其毒性作用,是世界各地监测的主要环境污染物之一。这些分子的主要人造来源实际上是汽车和废气汽车的排放,以及香烟烟雾。

此外,众所周知,它们是在加工精制石油产品(如塑料)的过程中产生的,并包含在普通消费产品(如油漆和漆、稀释剂和橡胶产品)中。

己内酰胺是尼龙的原料,用于生产合成纤维、树脂、合成皮革、增塑剂等多种室内产品。先前的研究表明,这些分子在室内的负担比在室外环境中更高,并强调了室内暴露对人类健康的特殊重要性。

生活在强人为下的环境中,例如意大利的艾米利亚-罗马涅区(工业发达),导致持续不断地暴露于这些普遍的异生物质中,促进它们在身体组织(包括肠道)中的维持和累积。

研究人员认为,这可以为人类宿主创造合适的条件,以选择能够解毒此类化合物的肠道微生物组成分,就微生物组和宿主在人类环境中的适应性而言互惠互利。

百岁和半百岁的人都是长寿的人,他们接触异生生物刺激的时间更长,他们的微生物群更适合降解这些异生生物。

脂质代谢基因变化

除了异物降解基因和糖代谢相关基因外,我们还发现了其他代谢途径中与年龄相关的差异,包括与脂质代谢有关的差异。

百岁老人和半超百岁老人显示出更多的α-亚油酸(KEGG途径编号ko00592)和甘油脂(ko00561)代谢的信息。另一方面,年轻人显示鞘脂(ko00600)和甘油磷脂(ko00564)代谢相关基因的贡献更大。

鉴于已知甘油磷脂和鞘脂在动物源性食品中更为丰富,而α-亚油酸主要来自植物源食物,这些特征可能与饮食习惯有关,特别是长寿者的植物源性脂肪摄入量高于年轻人的动物脂肪摄入量。

氨基酸代谢基因变化

此外,涉及氨基酸代谢的功能途径:

色氨酸(ko00380),酪氨酸(ko00350),甘氨酸,丝氨酸和苏氨酸(ko00260)的代谢基因随着年龄的增长而逐渐增加。

另一方面,发现年轻人中丙氨酸,天冬氨酸和谷氨酸代谢的基因(ko00250)更为丰富。色氨酸和酪氨酸的代谢被认为是蛋白水解代谢增强的指标。

此外,血清中色氨酸的生物利用度降低,以及尿液中酪氨酸代谢引起的酚类代谢产物水平升高

慢性炎症水平低

研究人员发现随着衰老,脂多糖生物合成基因(ko00540)逐渐增加,这可能与病原菌(即肠杆菌科的成员)的存在和慢性炎症的水平低有关。

04 健康长寿和不健康老人的菌群差异

然而,更长的寿命并不一定等于健康的衰老。随着年龄的增长,人们更有可能患上各种疾病,如心脏病、中风、高血压、认知障碍、癌症等。

前面章节有一项研究(长寿村老人与城镇化老人肠道菌群)提到,来自不同地区的老人,虽然都是长寿,但菌群情况不尽相同

因此,我们想更具体地了解,同样是长寿老人,健康长寿和不健康长寿具体到个人,在哪些方面会有区别。我们抽取谷禾肠道菌群数据库中两例报告来进行直接比较分析。

05 健康长寿的预测

以上只是数据库中的两个案例,在经过谷禾肠道菌群数据库筛查后,我们总结了一些关于长寿老人(90岁以上)的肠道菌群的趋势,分享关于报告中的一些指标判断,供大家参考。

 健康总分 

健康总分能很好的反映一个人的总体健康水平,有慢病或其他问题的老人一般低于55分。

 菌群多样性

菌群多样性健康长寿老人的菌群多样性水平最好能高于50,菌种数量在1000~1800左右较好,超过2000则可能会伴有病原菌感染的情况。

 慢病情况

主要是心脑血管及糖尿病和部分消化道疾病,涉及慢性炎症和代谢疾病。

 病原菌

病原菌感染是老人中最常出现的问题,包括呼吸道和肠道病原菌,随着衰老,肠杆菌科的部分机会致病菌比例会上升,需要注意饮食健康,以及呼吸道健康和口腔健康。

 肠道屏障及炎症水平

长寿老年人中Akk菌水平普遍较中年人群较高,Akk菌有助于降低肥胖等代谢疾病,但是Akk菌丰度过高会导致肠粘膜黏蛋白降解,破坏肠道屏障,也是需要注意的指标。

 短链脂肪酸水平 

短链脂肪酸生成的菌的水平与短链脂肪酸和炎症水平密切相关,短链脂肪酸缺乏通常是慢性炎症的推手。

 益生菌水平 

在谷禾检测的90岁以上人群中,益生菌水平普遍较高,基本超过人群平均水平。

06 长寿者避雷专区——谣言粉碎机

信息爆炸的时代,我们可以轻易获得大量关于营养保健的信息,然而其中大多数可能是不正确或者过时的观念。

1. 减肥仅靠控制热量?

我们都知道,减肥需要燃烧比摄入更多的能量,但这不是唯一。那些遵循“卡路里摄入,卡路里消耗”方法的人通常只专注于食物的卡路里值,而不是其营养价值。这对于整体健康而言,并非最佳选择。

如果出现体内激素失调,甲状腺功能低下,代谢状况,药物使用等健康问题,可能即使在严格饮食下也难以减轻体重。

2. 高脂食物不健康?

许多人仍然担心高脂肪的食物并遵循低脂肪的饮食习惯,认为减少脂肪的摄入有益于整体健康。

膳食脂肪对于保持最佳健康至关重要。另外,低脂饮食与包括代谢综合征在内的健康风险更高有关,并且可能导致胰岛素抵抗和甘油三酸酯水平升高,这是已知的心脏病危险因素。

而且,在鼓励减肥方面,高脂肪饮食已被证明比低脂肪饮食有效(甚至更高)。

当然,无论是低脂还是高脂饮食,任何一种极端情况都可能危害健康。尽可能遵循“中庸之道”。

3.非营养性甜味剂是健康的?

市场上出现越来越多的非营养性甜味剂(NNS)的产品有所增加。显然,高糖饮食会大大增加疾病的风险,但摄入NNS也会导致不良的健康后果。

例如,摄入NNS可能会引起肠道菌群产生负面变化并促进血糖失调,从而增加2型糖尿病的发病率。

该领域的研究仍正在进行中,未来需要高质量研究来确认这些潜在的联系。

4. 你必须很瘦才能健康?

我们知道,肥胖与许多健康状况相关,包括2型糖尿病,心脏病,抑郁症,某些癌症等。

尽管如此,降低疾病风险并不是说要你必须要达到模特身材。最重要的是营养饮食并保持积极的生活方式,因为这些行为通常会改善体重和体内脂肪百分比。

5. 所有食物都用低脂和减肥食品来代替?

去超市你会发现各种标有“清淡”,“低脂”,“无脂”的产品。虽然这些产品对那些想要减少体内多余脂肪的人来说很诱人,但它们通常是不健康的选择。

研究表明,许多低脂和减肥食品所含的糖和盐要比普通脂肪食品多得多。最好不要经常食用这些产品,有时候也可以享受一下正常食物,例如全脂酸奶,奶酪和坚果黄油。

6. 钙补充剂对骨骼健康必不可少?

很多人听说添加钙补充剂以保持骨骼系统健康。但是,目前的研究表明,补充钙可能弊大于利。

例如,一些研究已将钙补充剂与心脏病风险增加联系起来。此外,研究表明,它们不会降低骨折或骨质疏松症的风险。

当然,如果你担心缺钙,最好注意下钙的饮食来源,例如全脂酸奶,沙丁鱼,豆类和种子食物等。

7.所有果汁和果汁都是健康的 ?

某些果汁营养丰富。例如,主要由非淀粉类蔬菜制成的新鲜果汁可以是增加维生素,矿物质和抗氧化剂摄入量的好方法。

然而,要知道外面买到的大多数果汁中都含有糖和卡路里。如果过量食用,会促进体重增加和其他健康问题,例如蛀牙和血糖失调。

8. 每个人都需要补充益生菌?

益生菌的概念现在越来越火。但是,研究表明,不是所有人补充益生菌都有用,搞不好有副作用。

某些人的消化系统对益生菌的定殖有抵抗力,而且通过补充剂引入益生菌可能会导致肠道细菌产生负面变化。另外,与益生菌使用相关的小肠细菌过度生长会导致腹胀,气体和其他不良副作用。

益生菌不应作为千篇一律的补充剂,而应更加个性化,最好在做完肠道菌群检测之后再确定是否需要补充益生菌,补充哪一类益生菌,这样才能真正让身体恢复健康。

9. 减肥很容易?

你可能看过很多生动的减肥前后的图片,甚至还有传奇的故事,几乎不费吹灰之力就可以迅速减肥的故事,不要随意相信。

减肥其实并不容易。它需要坚持不懈,自律,努力和耐心。另外,由于遗传或其他药物因素使某些人的减肥困难很大,我们需要正视这一切,面对它,慢慢来,给自己多一点耐心,找到一种对你有效的可持续的模式最重要。

10. 纤维补充剂是高纤维食品的良好替代品?

许多人缺乏足够的膳食纤维,这就是为什么纤维补充剂如此受欢迎的原因。尽管纤维补充剂可以改善肠蠕动和血糖控制,从而有益于健康,但它们不应代替真正的食物。

高纤维全食(例如蔬菜,豆类和水果)包含营养物质和植物化合物,它们可以协同工作以促进您的健康,并且不能完全由纤维补充剂替代。

 LONGEVITY

随着时代的不断发展,旧的观念也在不断更新。曾经的认知也许是“七十古来稀”,而现如今更多的是百岁人生。

我们的追求也会越来越高,不仅是长寿,更是健康的长寿。可以预见,长寿时代将促使健康产业结构升级。

是的,微生物产业作为健康领域的其中一块,发展迅速。值得庆幸的是,在应对突如其来的疫情下,肠道微生态也在被应用于治疗,技术的革新为提高健康水平提供有力支撑,各个制度完善也在为健康领域的可持续发展构建强大保障,人类命运共同体正彰显其感召力。

谷禾健康作为微生物产业的一员,自2012年创立起,对于科研事业一直贡献着自己的力量,与此同时,这么多年来,谷禾一直希望将科研真正服务于大众,将科研成果带给每一个人,这是我们的使命。

现如今,我们也已经看到阶段性硕果。曾经,“肠道菌群”还只是一个概念,谷禾健康从肠道菌群的研究构思,到取样专利的落地,肠道菌群检测报告逐步完善,再到样品运输的细节管理,我们都在经历从0到1的过程,勇于创新,不断摸索,在微生物产业的道路上,迈着坚定的步伐。

令我们感到欣慰的是,“肠道菌群”现已逐渐从研究过渡到临床甚至普通人群,并且从模糊的健康概念走向精准检测甚至个性化辅助治疗。

2021寄语

愿你所有努力都有回报

所有的美好都如期而至

参考文献:

Kong F, Deng F, Li Y, Zhao J. Identification of gut microbiome signatures associated with longevity provides a promising modulation target for healthy aging. Gut Microbes. 

2019;10(2):210-215. doi: 10.1080/19490976.2018.1494102. Epub 2018 Aug 24. PMID: 30142010; PMCID: PMC6546316.

Rampelli S, Soverini M, D’Amico F, Barone M, Tavella T, Monti D, Capri M, Astolfi A, Brigidi P, Biagi E, Franceschi C, Turroni S, Candela M. Shotgun Metagenomics of Gut Microbiota in Humans with up to Extreme Longevity and the Increasing Role of Xenobiotic Degradation. mSystems. 2020 Mar 24;5(2):e00124-20. doi: 10.1128/mSystems.00124-20. PMID: 32209716; PMCID: PMC7093822.

Deng F, Li Y, Zhao J. The gut microbiome of healthy long-living people. Aging (Albany NY). 2019 Jan 15;11(2):289-290. doi: 10.18632/aging.101771. PMID: 30648974; PMCID: PMC6366966.

Kim BS, Choi CW, Shin H, Jin SP, Bae JS, Han M, Seo EY, Chun J, Chung JH. Comparison of the Gut Microbiota of Centenarians in Longevity Villages of South Korea with Those of Other Age Groups. J Microbiol Biotechnol. 2019 Mar 28;29(3):429-440. doi: 10.4014/jmb.1811.11023. PMID: 30661321.

肺炎链球菌的社交网络

谷禾健康

​S. pneumoniae (or pneumococcus,肺炎链球菌)是中耳炎、细菌性脑膜炎、败血症和社区获得性肺炎的主要病因。世卫组织将肺炎链球菌列为一种抗生素耐药的“优先病原体”。

肺炎链球菌是下呼吸道感染的主要原因之一,每年在全世界造成近100万儿童死亡。肺炎链球菌在人类宿主中占据不同的生态位,导致共生和致病性存在。侵袭性肺炎链球菌疾病是一个多步骤的过程。它是通过肺炎链球菌渗透进入富含糖的粘液层,然后粘附到人鼻咽的上皮细胞层而引发的。通常,微生物在鼻咽中定殖较长时间而不会引起疾病。

另外,由于未知的原因,它可以扩散到中耳,肺,大脑或血液中。直接从鼻咽或最经常通过肺部进入血液,可以进入中枢神经系统,心脏和脾脏。在所有这些组织中,肺炎链球菌都受到免疫系统和各种环境条件的攻击。

刚刚,来自美国宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学生物科学系的一篇综合评论文章题为:“The pneumococcal social network” 综合阐述了人类致病菌肺炎链球菌分泌肽的机制和功能特点。讨论了三大类小肽的序列特征、转运机制和受体:双甘氨酸肽、Rap、RGG、NprR、PlcR和PRGX(RRNPP)结合肽,以及含羊毛硫氨酸的小肽。强调影响携带和致病的因素,特别是遗传多样性、微生物竞争、生物膜发育和环境适应。

注:羊毛硫氨酸是一类结构独特的肽类,因其序列中含有羊毛硫类非常规氨基酸而得名。

革兰氏阳性细菌使用一系列分泌肽来控制种群水平的行为,以响应环境提示。最近肺炎链球菌多肽研究的扩展揭示了一个相互作用的信号系统的复杂网络,其中多个多肽被整合到同一信号通路中,允许多个进入该通路的点,并向新的方向扩展信息内容。

此外,由于多肽存在于细胞外环境中,因此存在串扰、群体感应(QS)以及株内、株间和种间相互作用的机会。关于人群行为导致疾病的方式的知识为设计和开发抗感染策略提供了一条途径。

社会行为在生物体内广泛存在。蚁群的形成、蝗虫的协调运动和鱼类的浅水化都是复杂的社会行为例子。这些行为通过保护人们免受捕食、增加食物供应或比竞争对手具有战略优势而受益。细菌也不例外。

细菌执行群体感应(QS):细胞密度相关的信号传导,导致群体水平的反应。QS的早期证明是在海洋细菌fischeri弧菌中,高细胞密度诱导生物发光,这是细菌与鱿鱼共生关系的一部分。从那时起,细菌群的行为就被牵涉到细胞过程中,比如基因转移、运动、抗生素的产生和生物膜的形成。

细胞-细胞间的通讯是由供体细胞分泌到细胞外环境中的信号分子来协调的,并由产生细胞和邻近细胞感应到。感知导致基因表达的变化,最终触发同步的群体行为。这种细胞-细胞通讯的核心是通过自体诱导剂-2(AI-2)和肽发出信号。

肺炎链球菌细胞间通信系统的总体分类

肺炎链球菌细胞-细胞通信系统可根据肽序列、转运蛋白和受体分为3大类(图1)。这些是(1)双甘氨酸肽,(2)与QS蛋白RRNPP超家族相关的肽,(3)含羊毛硫氨酸肽。从它们的作用来看,肽介导的细胞-细胞通信系统至少履行了三个主要功能:确保遗传多样性、微生物竞争和环境适应。

图1 肺炎链球菌分泌肽的三大类示意图

双甘氨酸肽

最具特征的肺炎链球菌双甘氨酸肽是能力刺激肽(CSP)。其他例子包括细菌素诱导肽(BIP)、感受态诱导细菌素(Ciba和CibB)、细菌素免疫区的肽(BIR)、毒力肽1(VP1)、感受态诱导的生物膜调节肽(BRIC)、RTG位点的肽和LANA(表1)。此外,比较基因组学方法已经揭示了额外的双甘氨酸肽,这些多肽还有待鉴定。

表1:核糖体合成肽在肺炎链球菌中的实验研究

双甘氨酸肽的特征是保守的N末端前导序列,该序列终止于Gly–Gly残基(或更常见于Gly–Ala或Gly–Ser)。前导将这些肽引导至含有肽酶的ATP结合盒(ABC)转运蛋白(具有C39肽酶结构域),其可切割前导序列并将肽输出到细胞外。  CSP和BIP的基因座分别编码同源的输出蛋白ComAB和BlpAB。移码突变使BlpAB在大约60%的菌株中失去功能。

QS蛋白的RRNPP超家族的肽

该组中的肽通过与它们的同源细胞质转录因子直接相互作用而发出信号,它们是RRNPP超家族的成员(图1B)。如前所述,这些肽可以基于多种序列特征进行分类。在肺炎链球菌中,已经鉴定了短疏水肽(SHP)SHP144,SHP939,SHP1518和RtgS,以及磷酸酶调节剂(Phr)肽PhrA和PhrA2。

在整个链球菌中,糖基转移酶(Rgg)蛋白质的调节基因与它们的同源SHP结合后被激活,后者通常在rgg基因附近编码。  SHP仅在出口后才有活性,这是由通常短于35个残基的前体多肽加工而成的。尚未在肺炎链球菌中研究加工蛋白酶,但在其他链球菌物种中,膜结合金属蛋白酶(Eep)有助于加工。 

多种链球菌物种通过ABC转运蛋白PptAB出口SHP,其粪便肠球菌的同源物出口性信息素。在缺乏已知靶序列的情况下,将SHP引导至其转运蛋白的机制仍不清楚。成熟的肽通过寡肽渗透酶系统重新导入细胞,在那里它们与同源的Rgg调节剂相互作用,从而改变细胞的转录状态。

在肺炎链球菌中,RtgS是唯一显示其前体肽由PptAB出口并由Ami寡肽进口商AmiACDEF内化的SHP。鉴于PptAB在物种间的广泛功能,其他肺炎链球菌SHP可能利用相同的机制进行进出口。

含羊毛硫氨酸肽类

这是由革兰氏阳性细菌产生的一族小肽(19-38个氨基酸),具有各种结构和功能。这些是环状肽,其特征是翻译后修饰,导致硫醚氨基酸、羊毛硫氨酸和甲基羊毛硫氨酸的引入(图1C)。当前肽中的丝氨酸或苏氨酸残基脱水并与半胱氨酸硫醇连接时,它们的特征结构由LanM修饰酶形成。该肽通过专用的LanT转运蛋白输出。许多含羊毛硫氨酸的肽形成细菌素的两大类中的一种。

这些肽被称为羊毛硫氨酸抗生素或羊毛硫氨酸的抗生素。用于加工羊毛硫氨酸的肽,修饰酶,免疫蛋白和转运蛋白的基因通常以簇的形式组织。肺炎链球菌中有许多这样的簇。其中,已经研究了与Tpr / Phr和肺炎链球菌素簇相关的瘦肽。

肺炎链球菌细胞间通信系统的功能属性

肺炎链球菌肽介导的细胞-细胞通讯系统提供多种功能,而不是相互排斥。细胞-细胞通信系统可以被概念化为控制种群水平结构和行为的电路。

许多细胞-细胞通讯回路对不同的环境刺激作出反应,如菌群密度、营养状况、pH值、氧气供应和抗生素压力。来自细胞-细胞通讯系统的信号在群体水平的变化中表现为聚合。这些可能会影响生物膜的发育或与细胞表面成分的改变有关,如膜成分和胶囊表达

细胞-细胞通讯系统的行为也可能伴随着DNA摄取、自残或杀菌能力的改变。这些生理变化可能改变细胞获得抗生素抗性基因的倾向,并影响疫苗逃逸株的出现。

此外,细胞间通讯系统还可以调节宿主基质的降解、生物膜的发育和营养吸收能力。因此,这些特性共同影响致病潜能、抗生素耐药性和对疫苗的反应

调节群体反应的能力为肺炎链球菌细胞提供了相对于居住在鼻咽的其他微生物物种的竞争优势。细胞间的通讯系统使微生物能够改变其转录模式,以获得合适的表型,从而优化种群水平的适应性。它能在DNA水平和转录水平上引入多样性,从而能够长期维持鼻咽部的共生生活方式,在无症状时期,肺炎链球菌在高度可变的生物膜中被发现。

此外,一般来说,“转录适应”不仅有助于在动态的鼻咽中存活,而且在感染期间微生物从一个宿主生态位迁移到另一个宿主生态位时也能促进存活。

遗传和表型多样性的产生

检测到CSP双甘氨酸肽家族的典型代表就会被激活。肺炎链球菌泛基因组拥有comC的6个不同等位基因,其中大多数菌株编码2个等位基因变体中的1个。在混合种群中,能力不仅在空间上局限于生物膜内的某个区域;信号可能局限于单个的信息类型(框1)。CSP是由高细胞密度、pH值增加、氧利用率和抗生素压力等因素引起的。

除了在环境中扩散外,CSP还通过其他机制(包括自分泌信号和细胞-细胞接触)向邻近细胞发出信号。激活会导致一个菌株的10%的基因发生转录变化。最典型的反应是激活转化机制,允许通过重组将外源DNA纳入,并且在这样做的过程中,通过等位基因的交换和基因拥有量的变化来促进遗传多样性的产生(图2)。

全基因组内遗传物质的交换测试了新颖的遗传组合,其中单个等位基因或基因片段已经克服了通过选择修剪的问题。

图2  多个双甘氨酸肽的分级活化

微生物竞争

种内和种间竞争是呼吸道肺炎链球菌生活方式的一部分。杀菌活性通过双甘氨酸和羊毛硫氨酸的肽家族中的小分子产生。限制竞争者生长的能力对于细菌定殖很重要。此外,受害者可能成为DNA的来源,增加了进化的可能性。

能力激活导致许多这些效应分子的产生,包括CibAB和BIR基因座。双甘氨酸肽CibAB引发异源分解或反式裂解,并以细胞接触依赖性方式负责非功能细胞的裂解。与乳酸乳球菌IFPL105相似,据信这种杀微生物剂是通过将细菌素插入敏感细胞的膜中而导致其细胞能量消耗而产生的。

此后,细胞壁水解酶(包括自溶素LytA,溶菌酶LytC和莫林蛋白酶水解酶CbpD)的作用引起裂解。跨膜肽CibC保护细胞免受CibAB的同素分解作用。  CibAB从非感受态细胞释放的营养物质和DNA可能会使攻击细胞受益。在定殖的鼠模型中,CibAB诱导的同素分解作用使常驻菌株具有通过入侵菌株抵抗竞争和定殖的能力。

IR编码多种效应基因,赋予其抑菌作用或抑制作用的免疫力。  BIR基因座是同系的,但细菌素(假定的和特征的)和免疫蛋白在不同菌株之间差异很大。blpIJ,blpMN和blpK的产品已证实具有杀菌活性。这些是双甘氨酸肽,由BlpAB输出,并与同源免疫蛋白共转录。所有这些肽都显示出菌株间的活性,并且在体内,BlpMN和BlpIJ细菌素在定植过程中提供了比免疫缺陷型菌株更具竞争优势的菌株

除肺炎链球菌外,细菌素基因座的表达还抑制了一些其他革兰氏阳性细菌,包括化脓性链球菌,链球菌性微生物,口腔链球菌和乳酸乳球菌,但不抑制其他细菌,例如变形链球菌,粪肠球菌或单核细胞增生李斯特菌

BIR基因座的表达是由BIP诱导的,BIP由blpC和BIR的上游编码。与CSP相似,BIP结合膜结合的组氨酸激酶(B1pH),并且在肽及其受体之间具有特异性。这种特异性限制了竞争性表型之间的串扰。与能力途径的激活相似,BIP的表达是由抗生素诱导的,并且会增加pH值。而且,在能力和细菌素系统之间存在串扰,其中BIP的产生是在CSP刺激后诱导的。

另一类细菌素是羊毛硫氨酸的肽,其特征是肺炎链球菌素(pld)。pld基因座在肺炎链球菌分离株中很少见,其特征是有4个串联推定的短肽同源物(PldA1-PldA4)。这4种肽中的3种PldA1-3对细胞的杀菌活性是必需的,而第4种肽PldA4对于该表型是必不可少的

除具有杀菌特性外,肺炎链球菌素(PldA1-3)还可作为自动诱导信号肽,通过位点(pldK)中编码的组氨酸激酶进行信号传导,从而激活pld位点。免疫是由邻近的ABC运输商PldFE授予的。这些肽的信号传导和杀菌作用是相互联系的:当Pld肽的信号传导低时,PldA2不会诱导细菌抑制作用。另外,肺炎链球菌素在小鼠定植过程中为肺炎链球菌菌株提供了竞争优势。

最后,全面的比较基因组筛选揭示了许多其他肽,它们在肺炎链球菌菌株之间分布不同(从稀有到核心),而且是肺炎链球菌特有的或在链球菌种之间共有。许多细胞与推定的转运蛋白,修饰蛋白或免疫蛋白一起组织成操纵子。肺炎链球菌菌株和相关物种内的多样性分布与种内和种间微生物竞争中的作用一致。

细胞间通信系统对环境适应的影响

肺炎链球菌有一个细胞间通信系统网络,可调节其对宿主环境的适应性。肺炎链球菌只能使用糖来产生其代谢能。此外,糖被用于胶囊生产和信号传递。此外,通过磷酸转移酶系统(PTS)转运糖可以触发磷酸化依赖性信号通路。此外,宿主糖的降解不仅是营养的来源,而且还是宿主粘附,定植和致病性的主要因素。

几种细胞间通讯肽的表达对宿主碳水化合物的水平有反应:甘露糖和半乳糖诱导SHP144和SHP939,半乳糖诱导PhrA。另外,这些肽以及PhrA2和VP1在丰富的培养基中被阻遏。Rgg144 / SHP144系统是核心。当自诱导肽SHP144导入细胞并结合Rgg144时,它被激活。Rgg144受主要营养调节剂CodY和谷氨酰胺/谷氨酸代谢的负面控制。

SHP939是一种正向调节Rgg939的自诱导肽。该系统是辅助基因组的一部分。  Rgg939 / SHP939调控的基因多样性随环境条件的变化而变化,当在甘露糖上生长时具有广泛的调节子,而在半乳糖中则具有有限的调节子。

Rgg系统并非孤立运行,而是看起来形成了一个连接的网络。因此,为了最大程度地诱导SHP144和SHP939,需要存在非同源Rgg调节剂。此外,Rgg1518控制其邻近基因座(SPD_1513–1517),这些基因也受Rgg144和Rgg939调控。这种串扰可能会超出物种的范围。  SHP939的序列与化脓性链球菌中发现的SHP3的序列相同,无乳链球菌和米氏链球菌中的SHP序列相差1个残基。SHP序列的相似性可能使肺炎链球菌Rgg系统受到其他常驻细菌的影响。

类似于TprA / PhrA,PhrA2与TprA2相互作用,导致TprA2调节子的阻遏并诱导紧靠下游的羊毛硫氨酸肽(LcpA)的表达。有证据表明TprA2 / PhrA2与TprA / PhrA系统之间存在单向串扰(图3)。

图3 如PhrA和PhrA2所示的肽串扰示例

观点与结论

肺炎链球菌所编码肽的多样性凸显了群落水平表型在引入遗传多样性、微生物竞争和环境适应方面的重要性。一些研究证实了细胞间通讯在肺炎链球菌毒力中的作用。需要更多的研究来绘制这些系统在感染过程中的时空表达

上呼吸道是许多细菌物种的常住栖息地。为了在宿主环境中立足,肺炎链球菌细胞必须在竞争中生存并抵抗住其他寄居物种的挑战。肺炎链球菌产生大量的肽,直接或间接地通过激活下游分子(例如,由CSP激活CibAB或CbpD)介导杀菌活性。虽然其中一些细菌素已被鉴定,但许多假定细菌素有待功能鉴定,尤其是在目标菌株/物种和刺激其合成的环境条件下。

多种肺炎链球菌肽与生物膜形成有关,包括CSP、BriC和VP1。生物膜在运输和疾病中起着关键作用。载体包括一种生物膜生长模式,它本身能够实现局部细胞-细胞通讯(通过肽和AI-2)和吸收生物膜基质中提供的DNA。

此外,生物膜为表型异质性提供了一个平台,这是一个未被充分研究的课题,可能有助于肺炎链球菌适应慢性感染和适应宿主生态位。生物膜促进发病。它们不仅是细菌传播的场所,而且从生物膜中传播的细菌比它们的生物膜或浮游生物具有更强的毒性

综上所述,肺炎链球菌信号肽和生物膜紧密相连:生物膜中的局部环境可能促进细胞-细胞通讯的条件,而肽会影响生物膜的发育和向其他组织和新宿主的扩散。

肽对调控网络的控制使肺炎链球菌不仅在单个细胞水平上,而且在整个群体水平上对其环境作出快速反应。系统间的串扰和由多个肽对一条通路的调节使不同的信号得以整合,可能会增加反应的动态性和复杂性。研究表明,多链肺炎链球菌共定植是一种相对常见的现象,突出了跨菌株肽交换的重要性。PhrA2和PhrA存在串扰(图3)。

来自同一家族或不同家族的肽可以在同一途径中发出信号。例如,通过CSP的信号转导可诱导多个双甘氨酸蛋白,而SHP144诱导VP1(一种双甘氨酸肽)的水平。这种肽激活的层次结构描述了生物途径激活的多个入口点的存在。这表明这些途径的激活是严格控制的,代表了相关但不同的可能性。

一种可能性是,不同的信号组合允许诱导整个通路或通路的一部分,提供与反应相关的类型、幅度和代谢成本的粒度。或者,当遇到合适的条件时,细胞可以激活肽信号,为诱导下游通路做好准备。

抗生素耐药性是一个全球性的公共卫生问题,因此迫切需要开发有效的抗感染药物。非抗生素抗感染药物有望减少抗生素耐药性的出现。开发破坏细胞-细胞通讯的化合物的不同策略包括抑制信号产生、信号降解或阻断信号转导。在化脓链球菌和其他一些链球菌中,化合物的使用会破坏Rgg/SHP信号传导,从而破坏生物膜的形成。在肺炎链球菌中,使用竞争性类似物可以抑制能力发展和水平基因转移。此外,以可溶性LMIP形式靶向PhrA肽的抗感染药物可降低肺炎链球菌介导的小鼠发病率。不同的抗感染药物是如何影响细菌适应度和促进耐药性发展的,还有待检验。肺炎链球菌细胞间通讯系统的多样性为探索不同的可能性提供了许多机会。对肺炎链球菌群体水平表型的研究为开发新的抗感染靶向肽介导系统以及这些系统调控的途径提供了机会。

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