来自美国国立卫生研究院国家过敏症和传染病研究所的Stacy及其同事的最新研究表明，有感染史的肠道菌群能够为宿主提供更强的抗感染力。也就是说共生微生物群也可以被“训练”以增强对异源感染的定植抗性。

肠道微生物群是宿主防御网络的基础。除了塑造免疫系统的发展和维护，共生微生物通过战胜病原体获得必需的营养物质和分泌抗生素来确保宿主(和它们自己)的生存，这些因素共同使肠道成为入侵的病原菌不可生存的环境。

肠道微生物群的训练总览

下面我们来看Stacy等人是如何一步步进行的实验探究过程。

Stacy等人在研究中发现，与实验室特有的无病原体(SPF)微生物群的小鼠相比，拥有野生小鼠(即WildR)微生物群的自交系小鼠表现出对致命病毒感染的增强保护。

在这里，作者还发现野生小鼠比SPF小鼠对肠道肺炎克雷伯菌感染更具抵抗力。考虑到WildR小鼠的未知感染史，作者用肺炎克雷伯菌对以前感染过急性Yersinia pseudotuberculosis ( post-△yopM) 的SPF小鼠进行了挑战。

值得注意的是，post-△yopM 的小鼠在初次感染后的至少15周内对肺炎克雷伯菌感染的抵抗力也更强。与SPF重建的对照组相比，用post-△yopM小鼠的粪便重建无菌小鼠也增强了对肺炎克雷伯菌感染的保护，这证实了微生物群在抗性中的作用。

这些结果表明，感染史可以改变肠道微生物群，从而诱导定植抗性，因此称为“微生物群训练”。

Stacy等人使用代谢组学方法记录了清除了假结核杆菌Y. pseudotuberculosis △yopM的小鼠肠道中胆汁酸水平的升高。微生物群对初级胆汁酸的解偶联释放了偶联组分，如牛磺酸。

确实，在短暂的假结核杆菌感染后牛磺酸水平升高。之前的研究表明，牛磺酸支持解决肠道炎症和清除肠道病原体的柠檬酸杆菌感染。

他们发现，补充牛磺酸会损害柠檬酸杆菌C. rodentium和肺炎克雷伯菌的肠道定植。而当补充给无菌小鼠时，牛磺酸对肠道感染没有影响，这表明它通过调节共栖群落而不是直接影响病原体。

Stacy等人用16S rDNA和宏基因组测序来解决这个问题。肠道炎症通常与肠杆菌科（Enterobacteriaceae）的大量繁殖有关。

确立参与对抗感染菌-- δ 变形菌 Deltaproteobacteria

他们发现，与对照组小鼠相比，清除假结核杆菌△yopM感染的小鼠微生物群中变形菌门增加，特别是δ 变形菌纲（Deltaproteobacteria）。

宏基因组学揭示，δ 变形菌纲的这种繁殖导致感染小鼠的硫代谢途径增加。虽然在感染后的微生物群中没有发现代谢硫的菌（δ 变形菌纲Bilophila wadsworthia），但当补充到无菌小鼠中时，足以提高对肺炎克雷伯菌的定殖抗性。

牛磺酸的施用同样影响了微生物群；然而，这些变化与post-Yersinia状态相当不一致，包括梭状芽孢杆菌而不是δ变形菌的增殖。这些不一致的分类变化表明，仅补充牛磺酸并不能完全重现共生微生物群的感染后状态，多种因素和微生物群可能能够增强对继发感染的定殖抗性。

Stacy等人通过宏基因组学检测牛磺酸处理过的小鼠微生物组，发现与post-Yersinia菌感染后的微生物组相似，编码异化亚硫酸盐还原酶(dsr)的基因得到了富集。这种蛋白质参与牛磺酸酶转化为硫化物的最后一步。

当牛磺酸调节的微生物群在体外培养中暴露于牛磺酸时，会产生更多的硫化氢，这与肠道中牛磺酸水平较高支持能将这种代谢物转化为硫化物的物种生长的观点一致。

重要的是，硫化氢通过抑制细胞色素氧化酶来限制有氧呼吸，而细胞色素氧化酶是病原体在不可发酵的底物上进行有氧呼吸和生长的常用物质。因此，牛磺酸依赖的硫化氢的产生可能通过阻断有氧呼吸来提高定植抗性。

原发感染后牛磺酸代谢菌群的扩张增强了

对继发感染的定植抗性

在原发感染(左)期间，病原体通过有氧发酵利用代谢底物，如1，2-丙二醇。清除感染后，宿主产生的胆汁酸水平增加，可以通过共生微生物群与牛磺酸解偶联。牛磺酸反过来被代谢成硫化物，抑制有氧呼吸，从而增强对继发感染的定植抗性(右)。

Stacy等人用两种方法验证:

(1) 使病原体不能在不可发酵的物质上生长

(2) 隔离硫化氢

对于前者，Stacy等人对肺炎克雷伯菌进行了高通量转座子测序。他们让12000个转座子突变体通过小鼠，然后测序，以确定与输入库相比丢失的突变体。

在未感染的小鼠中，导致细菌适应的因素包括与1，2-丙二醇利用有关的基因以及与细胞色素氧化酶bd-II同源的假定氧化酶。因此，肺炎克雷伯菌在低氧环境下对1，2丙二醇作用最为有利，低氧环境受硫化物抑制。

此外，缺乏在1,2-丙二醇或细胞色素氧化酶II上生长能力的肺炎克雷伯菌突变体在体内被它们的野生型对应物所取代，但当牛磺酸被补充到肠道生态系统中时却没有这种情况，表明牛磺酸破坏了病原体在1,2-丙二醇上的呼吸和生长能力。

最后，Stacy等人使用铋来隔离硫化物。铋对小鼠的处理阻止了微生物群产生硫化氢，导致了具有有氧呼吸功能的细菌数量的增加。

重要的是，铋处理还增加了对肺炎克雷伯菌感染的易感性，突出了硫化物隔离对定植抗性的影响。

这种对继发感染的增强抗性似乎是高度非特异性的，因为弱毒假结核分枝杆菌的初次感染可以防止肺炎克雷伯氏菌或柠檬酸杆菌的继发感染。

事实上，Stacy等人使用“wildR”小鼠的微生物群发现了相同的效果，这些小鼠是无菌小鼠，与野生小鼠的微生物群一起定居，野生小鼠可能有许多肠道感染的历史。

野生小鼠的肠道也显示出δ变形菌纲的扩张，但牛磺酸的水平降低而不是升高，这表明感染后牛磺酸可能会随着时间的推移而消耗，或者是不同的机制导致了这些小鼠中δ变形菌纲的大量繁殖。

Stacy等人没有用相同的病原体进行原发性和继发性感染，因此尚不清楚保护机制是否也适用于这种情况，以及增强定殖抗性的进化目的论是否是为了避免用相同的病原体进行二次感染。同样，确定感染后微生物群是否对不依赖硫化物敏感有氧呼吸的病原体无效也很重要。

Stacy等人的发现存在一些问题

首先，为什么在成功清除感染后胆汁酸分泌持续升高？

作者在post-Yersinia感染后的小鼠中发现了增大的胆囊，但这可能不是主要原因。

二、这种增强的定植抵抗的状态持续多久？Stacy等人在post-Yersinia感染后15天观察到，接受来自小鼠体内微生物群的无菌小鼠的定殖减少，但尚不清楚肠道牛磺酸水平是否表现相似，以及保护作用是否在超过15天的时间内减弱。

同样，确定多轮感染是否会进一步增强最终的定植抵抗能力也很有意思。

Stacy等人的工作使用了生物化学、微生物学和生物信息学方法等，不仅形成了一个关于感染史如何导致肠道-肝脏保护轴的新概念框架，使“微生物群记忆”的概念得到推广，还提供了对宿主及其微生物群之间存在的互利途径的新见解。

这可能是我们通过精确调节微生物群来提高抗微生物能力的重要一步。

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参考文献：

Stacy, A., Andrade-Oliveira, V., McCulloch, J.A., Hild, B., Oh, J.H., Perez-Chaparro, P.J., Sim, C.K., Lim, A.I., Link, V.M., Enamorado, M., et al. (2021). Infection trains the host for microbiota-enhanced resistance to pathogens. Cell 184, this issue, 615–627.e18

Wong Andrea C, Levy Maayan,Microbial memories.[J] .Immunity, 2021, 54: 201-204.

King Irah L,Divangahi Maziar,Training the metaorganism: the microbial counterpart.[J] .Cell, 2021, 184: 574-576.

Rosshart, S.P., Vassallo, B.G., Angeletti, D., Hutchinson, D.S., Morgan, A.P., Takeda, K., Hickman, H.D., McCulloch, J.A., Badger, J.H., Ajami, N.J., et al. (2017). Wild Mouse Gut Microbiota Promotes Host Fitness and Improves Disease Resistance. Cell 171, 1015–1028.