人类肠道中的细菌很少更新它们的CRISPR防御系统

一项关于微生物组的新研究发现，与实验室中的细菌相比，肠道细菌与触发免疫更新的病毒的相互作用要少得多。

　　

在人类的消化道中有数万亿的细菌，它们来自数千种不同的物种。这些细菌形成的群落有助于消化食物，抵御有害微生物，并在维持人体健康方面发挥许多其他作用。

这些细菌很容易受到被称为噬菌体的病毒的感染。细菌细胞对抗这些病毒最著名的防御系统之一是CRISPR系统，它在细菌中进化，帮助它们识别和切割病毒DNA。

麻省理工学院生物工程师的一项研究对肠道微生物群中的细菌在遇到新威胁时如何调整其CRISPR防御机制产生了新的见解。研究人员发现，虽然在实验室中生长的细菌可以以每天一次的速度吸收新的病毒识别序列，但生活在人类肠道中的细菌增加新序列的速度要慢得多——平均每三年一次。

研究结果表明，与实验室相比，消化道内的环境为细菌和噬菌体提供的相互作用机会要少得多，因此细菌不需要经常更新它们的CRISPR防御。这也提出了一个问题，即细菌是否有比CRISPR更重要的防御系统。

“这一发现意义重大，因为我们使用基于微生物组的疗法，如粪便微生物群移植，来帮助治疗一些疾病，但疗效不一致，因为新的微生物并不总是在患者体内存活。”了解微生物对病毒的防御有助于我们理解是什么造就了一个强大、健康的微生物群落，”麻省理工学院博士后，现南洋理工大学的助理教授An-Ni Zhang说。

Zhang是这项研究的主要作者，该研究今天发表在《Cell Genomics》杂志上。麻省理工学院微生物信息学和治疗学中心主任、麻省理工学院生物工程和土木与环境工程教授、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所成员Eric Alm是该论文的资深作者。

频繁的接触

在细菌中，CRISPR是一种记忆免疫反应。当细菌遇到病毒DNA时，它们可以将部分序列合并到自己的DNA中。然后，如果再次遇到病毒，该序列会产生一种引导RNA，指导一种名为Cas9的酶剪切病毒DNA，防止感染。

这些病毒特异性序列被称为间隔序列，单个细菌细胞可能携带200多个间隔序列。这些序列可以传递给后代，也可以通过一种称为水平基因转移的过程与其他细菌细胞共享。

先前的研究发现，间隔获取在实验室中发生得非常快，但在自然环境中这一过程似乎较慢。在这项新研究中，麻省理工学院的研究小组想要探索这一过程在人类肠道细菌中发生的频率。

Zhang说：“我们对CRISPR系统改变间隔的速度有多快感兴趣，特别是在肠道微生物组中，以便更好地了解我们体内的细菌-病毒相互作用。我们希望确定影响免疫更新时间表的关键参数。”

为了做到这一点，研究人员通过对来自人类消化道的微生物进行测序获得了两个不同的数据集，研究了CRISPR序列如何随着时间的推移而变化。其中一个数据集包含6275个基因组序列，代表52种细菌，另一个包含388个纵向“宏基因组”，即从四个健康人群的样本中发现的许多微生物的序列。

Zhang说：“通过分析这两个数据集，我们发现人类肠道微生物组中间隔物的获取非常缓慢：平均而言，细菌物种在我们的肠道中获得一个间隔物需要2.7到2.9年的时间，这是非常令人惊讶的，因为我们的肠道几乎每天都受到来自微生物组本身和食物中的病毒的挑战。”

然后，研究人员建立了一个计算模型来帮助他们弄清楚为什么获取速度如此之慢。这一分析表明，当细菌生活在高密度种群中时，获得间隔的速度更快。然而，人的消化道在一天中被稀释了几次，每当一顿饭被消耗。这样可以冲走一些细菌和病毒，使总体密度保持在较低水平，使微生物不太可能遇到可以感染它们的病毒。

另一个因素可能是微生物的空间分布，研究人员认为这可以防止一些细菌频繁地遇到病毒。

“有时一群细菌可能从来没有或很少遇到噬菌体，因为细菌更接近黏液层的上皮，远离潜在的病毒暴露，”Zhang说。

细菌的相互作用

在他们研究的细菌群中，研究人员发现了一个物种——长双歧杆菌——比其他物种获得间隔时间要晚得多。研究人员发现，在生活在不同大陆的不相关人群的样本中，长芽孢杆菌最近获得了多达六种不同的间隔物，目标是两种不同的双歧杆菌噬菌体。

这种收购是由水平基因转移驱动的——这一过程允许细菌从它们的邻居那里获得新的遗传物质。研究结果表明，这两种病毒可能对长芽胞杆菌有进化压力。

“人们一直高度忽视了水平基因转移对这种动态的影响。在细菌群落中，细菌与细菌之间的相互作用可能是病毒耐药性发展的主要因素。”

研究人员说，分析微生物的免疫防御可能为科学家开发针对特定患者最有效的靶向治疗提供了一种方法。例如，他们可以设计治疗微生物，使其能够抵御患者微生物群中最常见的噬菌体类型，这将增加治疗成功的机会。

“我们能做的一件事就是研究患者体内的病毒组成，然后我们就能确定哪些微生物物种或菌株更能抵抗人体体内的这些局部病毒，”Zhang说。