【LorMe周刊】索氏鲸杆菌产生的VB12通过介导肠道菌群的互作进而提高宿主抗病性

作者：闫涛，南京农业大学硕士在读，主要研究根际资源与微生物互作。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍索氏鲸杆菌产生的VB₁₂通过介导肠道菌群的互作进而提高宿主抗病性，原文于2023年发表在《Microbiome》上。

导 读

近年来，益生菌在肠道中预防和缓解疾病的作用受到广泛关注，近期研究表明益生菌可以诱导肠道生态、重塑肠道原有微生物群落进而影响宿主健康，但是具体机制尚不清楚。本研究揭示了施用有益菌贝莱斯芽孢杆菌Bacillus velezensis引起关键微生物数量增多，关键微生物通过分泌VB₁₂影响肠道环境以及微生物互作，进而抵御病原菌入侵。

结 果

1．肠道微生物群落影响贝莱斯芽孢杆菌抵御病原菌的效果

作者以图1a的实验设计进行实验，提前一周喂养抗生素鸡尾酒消灭鱼肠道内细菌（类似灭菌土处理）；结果发现在肠道菌群稳定的情况下，施用有益菌B.velezensis可以显著提高石斑鱼在病原菌侵染时的存活率（图1b），同时可以降低鱼肠道、肝脏以及肾脏中病原菌数量（图1c-e中TY组），添加抗生素鸡尾酒之后则没有效果（图1c-e中TAY组），以上结果表明有益菌是与肠道内原有细菌共同协作进而抵御病原菌入侵。

图1.肠道微生物影响有益菌B.velezensis抵御病原菌入侵的效果

2．肠道中索氏鲸杆菌参与抵御病原菌入侵

作者对肠道微生物组进行分析，发现接种有益菌之后并不会影响菌群的结构，而病原菌入侵后菌群结构显著改变，并且有益菌的存在会改变肠道菌群面对病原菌入侵时的响应状况（图2b）。在属水平上各个处理微生物组成也不同（图2c），共有9个属在四个处理中共同存在，作者定义为肠道内的核心微生物组。Cetobacterium属在核心微生物组中丰度最高，并且Cetobacterium属富集在有益菌处理组中（图2d），结合其他研究发现施加有益菌可以提高肠道中Cetobacterium属的丰度，因此作者推测Cetobacterium属参与宿主抵御病原菌入侵的过程中。

作者从健康的石斑鱼中分离出一株C. somerae CS2105-BJ，并测试该菌株的抵御病原菌的能力（图2g），发现在病原菌侵染后，接种CS2105-BJ可以显著提高宿主存活率（图2h），并且CS2105-BJ能够很好的定殖在石斑鱼肠道中，同时可以显著降低鱼肠道、肝脏以及肾脏中病原菌数量（图2i、j），为了解C.somerae的作用途径，作者分析了C.somerae CS2105-BJ的全基因组，发现其具有从头合成VB₁₂的能力，先前有研究指出VB₁₂具有调节肠道稳态、帮助宿主抵御病原菌等有益功能。作者便推测C. somerae CS2105-BJ对宿主的保护作用可能与其可以合成VB₁₂相关。

之后作者确定CS2105-BJ可以产生并向外分泌VB₁₂，并且发现鱼肠道内VB₁₂与CS2105-BJ丰度具有极强的正相关性。作者使用过量的锌元素替代VB₁₂环中心的钴元素进而破坏VB₁₂的结构，添加锌之后，有益菌处理过后鱼肠道内的VB₁₂含量显著降低，并且对于宿主的保护作用也显著下降，结果表明VB12在保护宿主方面发挥着重要的作用。

图2.C.somerae帮助宿主抵御病原菌入侵

3．VB₁₂对宿主的保护作用主要依赖于肠道微生物群

作者外源添加VB₁₂后研究其防控效果（图3a），发现在肠道微生物存在的情况下，添加VB₁₂可以显著提高鱼的存活率（图3b），同时可以降低鱼肝脏、肾脏中病原菌的数量（图3c、d），并且VB₁₂与病原菌负荷呈负相关（图3e、f）；在肠道微生物消失后，VB₁₂的保护效果同时消失。表明VB₁₂对宿主的保护作用主要依赖于肠道微生物群。

图3.肠道微生物是VB₁₂保护宿主免受病原菌侵染的基础

4．VB₁₂诱导肠道微生物群落结构和功能的改变

作者发现施用VB₁₂之后可以显著改变微生物群落结构，LEfSe结果表明在VB₁₂处理组中与肠道微生物组失调相关的Shigella与Escherichia属丰度降低，潜在有益菌属Bacteroides、Cellvibrio、Clostridium属丰度上升。同时施加VB₁₂可以显著降低革兰氏阴性细菌的数量，降低潜在的致病风险，另外VB₁₂处理也显著提高了肠道内厌氧菌的丰度，利于维持肠道稳态（图4d）。对肠道菌群功能预测结果进行分析发现，施加VB₁₂显著富集细菌增殖以及定殖的功能，可能是促进了肠道内微生物群之间以及微生物群与宿主的相互作用（图4e）。与CK相比，施加VB₁₂处理网络具有更多的节点和边，网络连接更紧密。并且VB₁₂处理组网络中多为负相关关系，具有更大的网络模块。总的来说，施加VB₁₂显著增强肠道微生物群的多样性以及群落之间的相互作用关系并且降低肠道的氧化还原电位来维持厌氧细菌生长。

之后为了量化VB₁₂、微生物多样性、潜在关键类群和网络复杂性对宿主抗病性的影响，作者构建了PLS-PM模型（图5a）。结果表明，VB₁₂与细菌多样性、网络复杂性和潜在的关键微生物呈正相关，此外，还发现网络复杂性与宿主感染水平为显著负相关，表明复杂而稳定的网络对抵御病原菌入侵具有积极影响。总体而言，这些结果表明，VB₁₂主要通过影响肠道中潜在的关键物种和增强肠道微生物生态网络的复杂性来提高宿主对病原菌的抵抗力。

图4.VB12诱导肠道微生物群落结构和功能的改变

图5.不同因素对宿主抗病性的影响

5．VB₁₂维持宿主肠道紧密连接蛋白的正常表达

病原菌入侵肠道之后，肠道屏障的通透性是病原菌最终成功感染的基础；因此作者最后探究VB₁₂对肠道紧密连接蛋白（Claudin15、Occludin和Zo-1）的影响，发现在肠道微生物稳定的情况下，施加VB₁₂可以显著提高紧密连接蛋白的表达（图6）。表明VB₁₂可以通过调节肠道微生物影响肠道紧密连接蛋白的表达水平。

图6.VB₁₂增强宿主肠道紧密连接蛋白的表达

结 论

本研究证明，有益菌贝莱斯芽孢杆菌Bacillus velezensis通过影响肠道微生物组提高斑马鱼的抗病性。进一步分析发现，鲸杆菌属（Cetobacter sp.）在保护宿主免受病原菌侵染中发挥着重要的作用（图7）。本研究结果从益生菌对肠道微生物组的作用角度提供了益生菌增强宿主对病原体感染抵抗力的新作用机制，同时展示了VB₁₂作为调节剂增强微生物相互作用的新功能。这一发现可能会加深人们对益生菌对宿主健康影响的理解，并有助于阐明VB₁₂抵抗病原菌侵染的健康机制。

图7.有益菌保护宿主免受病原菌侵染的机制

论文信息

原名：Vitamin B12 produced by Cetobacterium someraeimproves host resistance against pathogen infection through strengthening the interactions within gut microbiota

译名：索氏鲸杆菌产生的VB12通过介导肠道菌群的互作进而提高宿主抗病性

期刊：Microbiome

DOI：10.1186/s40168-023-01574-2

发表时间：2023.06

通讯作者：王高学、凌飞

通讯作者单位：西北农林科技大学动物科技学院