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PNAS:环境中的超微细菌是如何适应人类体内生活的

   

Researchers gain insights into how ultrasmall bacteria from the environment have adapted to live inside humans

    

图:研究人员假设,名为TM7的超小细菌获得了精氨酸脱氨酶系统(ADS)作为一种进化优势,以帮助它们适应并在人类口腔中生存。为了验证这一假设,科学家们开发了一个模型系统来实验研究ADS对TM7x及其宿主菌的功能和影响。他们发现ADS帮助TM7x分解精氨酸,这一过程产生三磷酸腺苷(ATP)和氨化合物。ATP和氨含量的增加通过增加TM7x的传染性或繁殖能力,对TM7x有利。它还能保护TM7x和它的宿主细菌免受酸胁迫,由于细菌以食物中的碳水化合物为食并进行代谢时产生的酸,微生物在人类口腔中经常遇到这种情况。


生活在我们口腔内的微生物,统称为口腔微生物组,在许多方面影响我们的整体健康,但我们还没有完全了解。有些细菌会引起炎症,导致牙周炎和其他全身疾病,如心血管疾病和糖尿病。其他口腔微生物也与某些类型的癌症有关。科学家们正在努力了解这些微生物是如何相互作用的,以及我们的身体,以梳理出它们在健康和疾病中各自的角色。

在生活在我们口腔内的各种细菌物种中,有一组属于辐射候选门(CPR)。这些细菌特别神秘,因为它们非常小,与宿主细菌有着独特的共生生活方式,而且大多数还没有被科学家培养并在实验室中进行研究。CPR中唯一需要深入研究的细菌是一组名为TM7的细菌,它是2014年由福赛斯研究所(Forsyth Institute)的研究员何雪松博士(Dr. Xuesong He)首次培育的。

为了更好地了解这些难以捉摸的细菌,贺博士和他的合作者、华盛顿大学(University of Washington)的杰弗里·s·麦克莱恩(Jeffrey S. McLean)博士开发了一种新的模型系统,使用了第一个分离的人类口腔TM7菌株TM7x及其宿主细菌——溶牙放线菌(Actinomyces odontolyticus)。这是朝着更好地了解这些细菌迈出的重要一步。研究人员使用该模型系统对这些微小细菌进行了实验研究,测试了TM7如何适应人类体内生活的假设,并提供了经验数据来证实之前的基因组研究。他们的发现今天发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

科学家们在很多不同的环境中都发现了TM7,包括土壤、地下水和其他哺乳动物的尸体。研究表明,人类口腔中的TM7基因与其他环境中的TM7基因是不同的,因为它们获得了编码精氨酸脱氨酶系统(ADS)的基因簇。

麦克莱恩博士说:“这对我们来说很有趣,因为在这群基因组本来就很小的微小细菌从环境向哺乳动物转变的过程中,它们的基因组似乎很少发生变化。”

研究人员假设,TM7获得ADS是一种进化优势,帮助它们适应并在人类口腔中生存。为了验证这一假设,本研究的第一作者田静“Janet”博士利用该模型系统对ADS对TM7x及其宿主菌的功能和影响进行了实验研究。她发现ADS帮助TM7x分解精氨酸,这个过程产生三磷酸腺苷(ATP)和氨的化合物。ATP和氨含量的增加通过增加TM7x的传染性或繁殖能力,对TM7x有利。它还能保护TM7x和它的宿主细菌免受酸胁迫,由于细菌以食物中的碳水化合物为食并进行代谢时产生的酸,微生物在人类口腔中经常遇到这种情况。

最终,实验表明,由于ADS的存在,TM7x在实验环境中能够比没有精氨酸的情况下存活更长时间。

“目前对CPR细菌的大多数研究都是基于培养无关的基因组方法。使用这种TM7细菌模型系统,我们能够直接测试从基因组分析中产生的假设,这有助于将CPR研究领域从以基因组为重点的研究转向以假设为驱动的研究,以便更好地了解它们的生物学特性,”贺博士说。

“氨的生产通过TM7-encoded广告提高了pH值在人类口腔微环境,这提出了一个有趣的问题发展的TM7龋齿的作用,”田博士说,北京大学口腔医院儿科牙医和访问学者福赛斯。在之前的一项儿童龋齿研究中,田博士发现,龋齿治疗后,TM7的丰度显著增加。“我们认为,这表明颞下颌关节7可能与无龋齿的状态更相关,我们计划在这个领域做更多的研究,”田博士说。

这项研究也增加了越来越多的证据,证明TM7细菌可能比研究人员最初认为的对口腔健康有更大的保护作用。例如,在牙周病患者的口腔中,TM7的含量显著增加,这使得科学家们认为这种细菌是导致牙周病的原因之一。但最近由Forsyth的Batbileg Bor博士领导的一项研究显示了相反的效果——在小鼠模型中,tm7可以减少牙周炎症和骨丢失。

麦克莱恩博士说:“对于我们刚刚在人类体内发现的许多不同类型的超小寄生细菌,它们对健康和疾病的影响,我们仍处于早期阶段。”

“这就是为什么建立一个细菌模型系统如此重要,不仅可以更好地了解TM7的独特生活方式,还可以通过实验测试基于基因组研究或临床观察的假设是否成立,”贺博士说,“现在,我们有了一个可操作的TM7模型系统,这是一个真正的主要优势。”


文章标题

Acquisition of Arginine Deiminase System benefits epiparasitic Saccharibacteria and its host bacteria in mammalian niche environment


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