人體腸道病毒組學(xué)

人體腸道病毒組組成復(fù)雜，并且存在顯著的個(gè)體差異。人體腸道病毒組90%以上為原核病毒即噬菌體。這些病毒以DNA病毒為主，伴有少數(shù)RNA病毒。噬菌體、真核病毒和植物源病毒與共生細(xì)菌和腸道屏障相互作用，促進(jìn)腸道健康所必需的重要功能(圖1)。

  圖1  腸道病毒的主要角色和功能(Lopetuso LR, et al, 2016)

人體腸道病毒組中，溫和噬菌體(temperate phage)占絕大多數(shù)。溫和噬菌體也稱溶原性噬菌體(lysogenic phage)，它感染宿主細(xì)菌后不會(huì)立即引起細(xì)菌裂解，而是與宿主細(xì)胞建立一種共生關(guān)系(Yutin N, et al, 2018)。溫和噬菌體在感染宿主菌的過(guò)程中，會(huì)根據(jù)環(huán)境來(lái)調(diào)節(jié)其裂解——溶原決策。例如，芽抱桿菌(Bacillus)噬菌體能夠產(chǎn)生一種多肽分子( peptides)并釋放到環(huán)境中作為交流信號(hào)，在之后的感染中，子代噬菌體通過(guò)感知peptides的濃度來(lái)決定是否進(jìn)入溶原狀態(tài)，如當(dāng)多肽分子濃度較高時(shí)則進(jìn)入溶原狀態(tài)。人糞便樣本中的病毒種類(lèi)與細(xì)菌種類(lèi)的比值接近1:1，低于海洋環(huán)境等自然生態(tài)系統(tǒng)中病毒種類(lèi)與細(xì)菌種類(lèi)的比值(約10:1)，說(shuō)明人體腸道環(huán)境中噬菌體的生活方式，與其他環(huán)境中捕食性的病毒細(xì)菌動(dòng)態(tài)關(guān)系模式不同。

腸道病毒組的可塑性分析

人體腸道為人體微生物提供了理想的生存環(huán)境。人腸道病毒組的構(gòu)成也會(huì)隨著環(huán)境、年齡、飲食及生活方式等因素的變化而改變，其形成始于嬰兒出生，并于2-3歲左右形成與成人腸道微生物組類(lèi)似的組成結(jié)構(gòu)。在這期間，細(xì)菌及真核病毒不斷擴(kuò)張，同時(shí)噬菌體構(gòu)成也持續(xù)變化(Guerin E et al, 2018)，在“Kill the Winner”模式中，噬菌體通常以生長(zhǎng)最快的優(yōu)勢(shì)共生菌為目標(biāo)并殺死它們，從而減少它們?cè)谖改c道中的數(shù)量。在生物武器模型中，共生菌利用它們攜帶的噬菌體作為武器殺死競(jìng)爭(zhēng)細(xì)菌，導(dǎo)致細(xì)菌數(shù)量或種類(lèi)的減少，進(jìn)而引起生態(tài)失調(diào)。群落重組模型提出，環(huán)境應(yīng)激源如抗生素治療、氧化應(yīng)激或炎癥可觸發(fā)原噬菌體進(jìn)入細(xì)菌，導(dǎo)致共生菌的溶解感染，改變共生體與病源的關(guān)系。“不斷出現(xiàn)的新菌株”模型表明，通過(guò)獲取遺傳物質(zhì)可能增加噬菌體毒性——即在宿主體內(nèi)建立溶源性，而不是誘導(dǎo)細(xì)菌裂解。(圖2)。

 圖2 噬菌體驅(qū)動(dòng)腸道生態(tài)失調(diào)的機(jī)制(Mukhopadhy I, et al, 2019)

一項(xiàng)對(duì)1周歲健康嬰兒腸道DNA病毒組特征的研究，通過(guò)對(duì)比了產(chǎn)后1周和2周嬰兒糞便微生物群落里病毒的豐度，表明在生命的初期，病毒群落變化劇烈，超過(guò)半數(shù)在第1周出現(xiàn)的病毒種類(lèi)在第2周就檢測(cè)不到。這種嬰兒期腸道病毒組的不穩(wěn)定性與嬰兒腸道微生物群落的快速變化相一致。與嬰兒期腸道病毒組劇烈變化的特征不同，成人腸道病毒組具有相對(duì)穩(wěn)定性。人體腸道噬菌體組的縱向變化與多樣性產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)錄因子(Diversity Generating Retroelements, DGRs)和病毒編碼的規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)序列(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats arrays, CRISPR arrays)有關(guān)。Yatsunenko等(Yatsunenko T, et al, 2012)在1年中的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)成人同卵雙胞胎及其母親的糞便樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，家庭成員之間的腸道微生物群比其他人具有更高的相似性，表明了環(huán)境暴露在人體腸道微生物群落形成過(guò)程中的重要作用；同時(shí)，雙胞胎與母親間的病毒組差異遠(yuǎn)大于相應(yīng)的細(xì)菌組差異，說(shuō)明個(gè)體間的病毒組構(gòu)成存在顯著差異。盡管個(gè)體間的病毒組差異明顯，但成人個(gè)體內(nèi)部病毒組構(gòu)成并不會(huì)隨時(shí)間改變而出現(xiàn)顯著變化。人體在1年內(nèi)超過(guò)95%的噬菌體型保持不變，其中以DNA病毒為主，主要為少數(shù)基因相似度超過(guò)99%的溫和噬菌體。此外，Dutilh等(Dutilh BE, et al, 2014)發(fā)現(xiàn)一種可能專(zhuān)一感染擬桿菌(Bacteroides)的噬菌體株crAss (cross-Assembled phage)廣泛分布在人群中，說(shuō)明人體腸道噬菌體可能在群體性水平存在一定的特征。另外，健康成人在一項(xiàng)為期9天的研究期內(nèi)攝入了規(guī)定的飲食，研究顯示糞便樣品中的細(xì)菌群落和病毒群落都發(fā)生了明顯的變化；并且，相同飲食的個(gè)體之間的微生物群落差異在晚期時(shí)間點(diǎn)有了降低，說(shuō)明飲食對(duì)人體腸道細(xì)菌組和病毒組都有影響。

總之，人體腸道病毒組的變化受到多種因素的影響，而與腸道細(xì)菌組相比，病毒組更具多樣性。隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，研究者逐步揭示了腸道病毒組的特征及其與其它腸道微生物組之間的內(nèi)在關(guān)系，并記錄其在人類(lèi)健康與疾病狀態(tài)下的變化；此外，越來(lái)越多的證據(jù)也表明腸道病毒組是具有可塑性的。

腸道病毒組與人體健康研究進(jìn)展

長(zhǎng)久以來(lái)，人們對(duì)病毒的認(rèn)識(shí)被限制于病毒感染人體進(jìn)而引起疾病，但人類(lèi)基因組和微生物組研究表明病毒與人體之間存在更廣泛的相互作用。部分病毒對(duì)人體無(wú)害，甚至是有益的;而有些病毒對(duì)人體的作用是有害或有益會(huì)隨環(huán)境變化而改變。通常來(lái)說(shuō)，完全適應(yīng)人體環(huán)境的病毒并不會(huì)引起臨床癥狀，這些病毒會(huì)與宿主間達(dá)成平衡以避免逆向選擇作用;此外，部分病毒能夠參與宿主的生理生化過(guò)程。通過(guò)大規(guī)模的宏病毒組分析，研究人員(Ma YF, et al, 2014)揭示了在美國(guó)健康人群中HPV (human papilloma virus)感染率高達(dá)67%，但這些人并未出現(xiàn)明顯癥狀(圖3)。

圖3 系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)和在不同器官中發(fā)現(xiàn)的HPV類(lèi)型(Ma YF, et al, 2014)

另外， HIV (human immunodeficiency virus)的感染可以引起病人腸道微生物群落明顯變化。總之，病毒與宿主間的關(guān)系是動(dòng)態(tài)的共同變化關(guān)系(Sun Y, et al, 2016)。

腸道病毒組數(shù)量巨大，提示腸道病毒對(duì)人類(lèi)健康的影響可能主要是有益的。早期腸道病毒感染能夠產(chǎn)生正面影響，如年輕時(shí)的病毒感染可能會(huì)促進(jìn)免疫系統(tǒng)的發(fā)育，進(jìn)而抵抗其后的感染和阻止誘發(fā)過(guò)敏的過(guò)度免疫反應(yīng)。目前己知早期感染病毒中的多瘤病毒僅有2種能夠感染人類(lèi)。利用宏病毒組的方法，DeCaprio等(DeCaprio JA, et al, 2013)鑒定出了13種多瘤病毒株，并將其中部分病毒與艾滋病患者、免疫抑制器官移植患者的腎臟或神經(jīng)損傷及皮膚癌等相關(guān)聯(lián)。

  表1  人多型瘤病毒(DeCaprio JA, et al, 2013)

此外，炎癥性腸病的發(fā)生需要遺傳、細(xì)菌和諾如病毒(Norwalk Viruses，NV) 共同作用，但并非所有的感染病毒對(duì)人體都是有害的，Manichanh等(Manichanh C, et al, 2012)發(fā)現(xiàn)NV感染小鼠2周后會(huì)促進(jìn)小鼠恢復(fù)腸道表面細(xì)胞數(shù)目及功能，并部分替代腸道菌群功能，且還會(huì)促進(jìn)腸道免疫系統(tǒng)功能的恢復(fù)。

噬菌體中含有對(duì)宿主細(xì)菌有利的基因，同時(shí)，噬菌體可通過(guò)基因的水平轉(zhuǎn)移推動(dòng)細(xì)菌快速產(chǎn)生對(duì)抗藥性，并對(duì)人體健康造成一定的影響。人們可能忽略了病毒在糖尿病、肥胖癥及炎癥性腸病(inflammatory bowel disease IBD)中所起的作用。Virgin等(Norman JM, et al, 2015)人分別研究了生活在英國(guó)、芝加哥及波士頓的3組潰瘍性結(jié)腸炎或克羅恩病患者，將患者糞便病毒組DNA與同地區(qū)的健康人進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果顯示炎癥性腸病患者腸道內(nèi)病毒的多樣性顯著增加，且大多數(shù)為噬菌體。據(jù)此推測(cè)，炎癥性腸病也許會(huì)使腸道細(xì)菌死亡并釋放噬菌體，也有可能是有新的噬菌體侵入腸道，干擾了微生物組或消化系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致疾病(圖4)。

 圖4  CD和UC患者Caudovirales序列的存在-缺失熱圖(Norman JM, et al, 2015)

Minot等(Minot S, et al, 2012)對(duì)采集于12個(gè)人的糞便樣品進(jìn)行了宏病毒組分析，識(shí)別出51個(gè)高變位點(diǎn)，根據(jù)蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，其中部分與Ig免疫球蛋白超家族相類(lèi)似。此外，噬菌體通過(guò)類(lèi)Ig免疫球蛋白與人腸道粘膜相結(jié)合，并幫助人體抵抗細(xì)菌感染。

在雙胞胎腸道病毒組的研究中，結(jié)果顯示，腸道噬菌體含有豐富的與厭氧核昔酸合成、細(xì)胞壁合成和降解等生理過(guò)程相關(guān)的基因，還包括改變宿主細(xì)菌受體及防止重復(fù)感染的基因。另外，很多噬菌體基因編碼與碳水化合物的轉(zhuǎn)移和利用有關(guān)的基因，尤其在腸道環(huán)境中，碳水化合物的利用是一個(gè)重要的適應(yīng)因子;同時(shí)，基因的水平轉(zhuǎn)移使得噬菌體基因組中的碳水化合物代謝利用相關(guān)基因能夠進(jìn)入宿主細(xì)菌，這對(duì)宿主細(xì)菌在腸道中的穩(wěn)定生存是有利的。目前，噬菌體中大量的與新陳代謝、適應(yīng)因子相關(guān)的基因在腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)中的功能仍然有待深入研究。

參考文獻(xiàn)

DeCaprio JA, Garcea RL. A cornucopia of human polyomaviruses[J]. Nature Reviews Microbiology, 2013, 11(4): 264-276.

Dutilh BE, Cassman N, McNair K, et al. A highly abundant bacteriophage discovered in the unknown sequences of human faecal metagenomes. Nature Communications, 2014, 5: 4498.

Guerin E, Shkoporov A, Stockdale S, et al. Biology and taxonomy of crAss-like bacteriophages, the most abundant virus in the human gut[J]. Cell Host Microbe, 2018, 24:653–664.

Lopetuso LR, Ianiro G, Scaldaferri F, et al. Gut Virome and Inflammatory Bowel Disease[J]. Inflammatory Bowel Diseases. 2016, 22(7): 1708-1712.

Ma YF, Madupu R, Karaoz U, et al. Human papillomavirus community in healthy persons, defined by metagenomics analysis of human microbiome project shotgun sequencing data sets[J]. Journal of Urology, 2014, 88(9): 4786-4797

Manichanh C, Borruel N, Casellas F, et al. The gut microbiota in IBD[J]. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatoloy, 2012, 9(10): 599-608.

Minot S, Grunberg S, Wu GD, Lewis JD, et al. Hypervariable loci in the human gut virome[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012. 109(10): 3962-3966.

Mukhopadhy I, Segal JP, Carding SR, et al. The gut virome: the 'missing link' between gut bacteria and host immunity? [J]. Therapeutic Advances in Gastroenterology, 2019, 12: UNSP 1756284819836620.

Norman JM, Handley SA, Virgin HW. Disease-specific alterations in the enteric virome in inflammatory bowel disease[J]. Cell, 2015. 160(3): 447-460.

Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, et al. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature, 2012, 486(7402): 222-227.

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