宿主-微生物群相互作用组揭示广泛的跨界联系
A host–microbiota interactome reveals extensive transkingdom connectivity
Article，2024-03-20，Nature，[IF 64.8]
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07162-0
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07162-0
第一作者：Nicole D. Sonnert, Connor E. Rosen, Andrew R. Ghazi
通讯作者：Aaron M. Ring, Noah W. Palm
主要单位：
耶鲁大学医学院，免疫生物学系（Department of Immunobiology, Yale School of Medicine, New Haven, CT, USA）
耶鲁大学医学院，微生物病理学系（Department of Microbial Pathogenesis, Yale School of Medicine, New Haven, CT, USA）
哈佛大学公共卫生学院，生物统计学系（Department of Biostatistics, Harvard T. H. Chan School of Public Health, Boston, MA, USA）
- 摘要 -
与人类密切相关的大量微生物对生理有不同的影响，但这些影响的分子基础仍然未知。经典的病原体常通过与人类细胞外蛋白和分泌蛋白（“外蛋白组”）的相互作用，侵入宿主组织并调节宿主免疫反应。共生微生物也可能通过与宿主外蛋白组的相互作用，促进自身生态位定殖并塑造宿主的生物学特性。然而，外蛋白组与微生物群之间的直接相互作用在很大程度上仍未被探索。在这里，作者开发并验证了一种新技术BASEHIT，可以在蛋白质组尺度上评估人类外蛋白组与微生物组的相互作用。利用BASEHIT，作者研究了来自不同系统发育和组织来源的519种与人类相关的细菌菌株与3324种人类外蛋白之间超过170万个潜在的相互作用。由此产生的相互作用揭示了一个广泛的跨界连通性网络，其中包含数千种先前未描述的宿主-微生物相互作用，涉及383种菌株和651种宿主蛋白。该网络内的特定结合模式暗示了潜在的生物学规律；例如，同种菌株表现出共有的外体蛋白结合模式，而来自不同组织的菌株则独特地结合组织特异性外蛋白。此外，作者还观察到数十种独特的、通常是菌株特异的相互作用，这些相互作用可能在生态位定殖、组织重塑和免疫调节中发挥重要作用，并发现具有不同宿主相互作用谱的菌株在体外与宿主细胞的相互作用以及在体内对宿主免疫系统的影响存在差异。总之，这些研究揭示了先前未被探索的分子水平宿主-微生物群相互作用关系，这可能是土著微生物影响人类健康和疾病结果的基础。
- 结果 -
图1 使用BASEHIT揭示宿主外蛋白组-微生物组相互作用图谱。
a 揭示宿主-微生物相互作用组图谱的工作流程概述。BASEHIT流程：将单个生物素标记的微生物菌株与条形码标记的酵母克隆文库混合，每个酵母克隆展示了单个人类外蛋白（共3324个）。通过磁选择分离细菌结合的酵母，通过NGS对DNA条形码进行测序，并根据条形码与预选文库的相对富集程度计算每个蛋白质的BASEHIT分数。由此产生的宿主-微生物相互作用组图谱包括500多个单独的宿主-微生物相互作用组和数百个以前未发现的微生物与宿主外蛋白的相互作用。
b 来自所有四个主要身体组织和六个门的微生物（奇异球菌-栖热菌门没有在此绘制）表现出一系列的相互作用特征。与链霉亲和素磁珠具有高背景结合的蛋白质被排除在这些计数之外（详见方法）。
c 通过重组宿主外蛋白染色的细菌流式细胞术验证预测相互作用的例子。
d 预测的外蛋白-微生物相互作用网络受物种而崩溃。
图2 人类微生物-宿主外蛋白相互作用受组织分布规律。
a 异常高或低的人类蛋白质结合菌株的物种属性（物种分类、生理性状及宿主环境）（Wilcoxon秩和检验）。选择了重叠最小的11个属性（Jaccard相似度 < 0.5）。
b 属水平与人类蛋白结合的微生物中富集的生物过程（展示了FDR显著的前20个生物过程，度保持网络置换检验）。
c 亲缘关系越密切的菌株往往具有更多相似的人类蛋白质结合伙伴（度保持网络置换检验）。
d 从c中选择分类群；每个属最多包含三个物种，按种内保守性、属内保守性或明显的非保守性的强度排序。
图3 共有和不同的宿主外蛋白结合模式定义了系统发育相关菌株的不同亚群。
a 葡萄球菌（Staphylococcus）-外蛋白相互作用网络，显示了至少与两种葡萄球菌相互作用的所有蛋白质，右侧显示了各集群中特定相互作用热图。
b 37个C. acnes菌株与8种人类蛋白（至少与10个C. acnes菌株结合）之间相互作用热图;没有相互作用的三个菌株没有显示。可根据与SLC22A31或OPRK1和SPINT3的结合特征将C. acnes分为2个亚群。
c C. acnes的基因量与外蛋白结合模式之间的密度相关图。
图4 外蛋白相互作用暗示了细菌定植和疾病调节的关键作用。
a 假定的蛋白质功能及其与人类胃肠道微生物组指定成员的相关相互作用。
b 活泼瘤胃球菌（R. gnavus）表现出菌株特异性相互作用。
c 菌株特异性的R. gnavus-CD7相互作用验证。
d 梭杆菌属与免疫和上皮蛋白存在广泛的相互作用。
e 菌株特异性F. nucleatum-DKK1相互作用的验证。
图5 外蛋白结合型与非结合型菌株的不同影响。
a 羧基荧光素琥珀酰酰酯（CFSE）标记的R. gnavus菌株与表达CD7的细胞结合示意图。
b CFSE+细胞百分比。
c CFSE标记的Fusobacterium spp.菌株和荧光生物颗粒的巨噬细胞吞噬示意图。
d CFSE标记的结合型梭菌与非结合型梭菌与SIRPα标记的THP-1巨噬细胞吞噬后的平均荧光强度（MFI）（细菌与THP-1巨噬细胞的比例为5:1）。
e THP-1细胞与未标记SIRPα的结合型或非结合型梭菌孵育后对大肠杆菌K12生物颗粒的吞噬作用（生物颗粒与THP-1比例为1:1；梭菌与THP-1的比例为2:1)。
f 使用3株结合型和3株非结合型拟杆菌对无菌C57BL/6小鼠进行单定殖检测。
g RNA测序鉴定小鼠结肠组织中的差异表达基因。
h Jchain（连接链，左）和Igha（重链，右）基因标准化后的转录本计数。
参考文献
Sonnert, N.D., Rosen, C.E., Ghazi, A.R. et al. A host–microbiota interactome reveals extensive transkingdom connectivity. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07162-0
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