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2022年7月13日，耶鲁大学免疫系Noah Palm课题组（第一作者为杨祎）在Nature在线发表了题为Within-host evolution of a gut pathobiont facilitates liver translocation的研究论文，首次详细地阐述论证了宿主内进化对肠道共生菌行为及致病性的影响。
近年来，解析肠道菌群与疾病的关系一直是热门的领域， 也有越来越多的研究发现并阐述了特定细菌与某些疾病的因果关系。然而大量的人群肠道菌群测序结果显示这些“疾病相关细菌”
(disease-driving bacteria)
的存在与疾病发生之间存在很大的“随机性”：具体表现为这些细菌同样也被大量健康人群携带，并且即便在病人中这些细菌也可能早在出现病症的几年前甚至更早就已定植。这一随机现象引起了研究人员的兴趣。虽然已知宿主遗传背景
(host genetics)
和一些环境因素
（如饮食，药物使用）
会影响疾病的发生，那么是否细菌本身性状的改变也是其中一重要影响因素。越来越多证据表明共生菌在人体内并非一成不变，它们会随着环境的改变而进化以更好地定植在肠道内
【1,2】
。因此，研究人员推测宿主内进化
(within-host evolution)
可能会改变一些共生菌的致病性从而加剧了上述“随机性”的出现。
该文章的作者之一——德国明斯特大学
(University of Münster)
的Martin Kriegel教授团队于2018年发现肠道细菌Enterococcus gallinarum
（鹑鸡肠球菌）
向肝脏的转移可促进狼疮和自身免疫性肝炎的发生发展
【3】
。因此研究人员首先关注了E. gallinarum及其肝脏转移行为。通过全基因组测序，发现从狼疮易感型小鼠
(NZW x BXSB F1)
的肝脏和粪便中分离的
E. gallinarum
菌株携带了不同的突变，大部分突变出现在负责环境感应和转录调节的基因上。当胃饲无菌小鼠
E. gallinarum
后，肝脏中分离的菌株也较粪便菌株展现出更强的肝脏转移能力。这一结果很好得证实了研究人员的假说，同时也让研究人员好奇这种进化是如何发生的。
为了检测类似进化能否重复发生，研究人员给无菌小鼠定植了一粪便菌株并在三个月后再次从其肝脏和粪便中分离相应菌株。与在狼疮易感型小鼠中的情况相似，研究人员发现这些单菌定植
(monocolonization)
小鼠肝脏和粪便中分离出的
E. gallinarum
菌株再次获得了不同突变，并且有部分突变同样在狼疮易感型小鼠来源的菌株中被检测到。这些结果进一步证实了宿主内进化的存在，并且这种进化模式是可被重复的。
由于
E. gallinarum
并不能长期
（比如超过两个星期）
存活于肝脏中，研究人员推测最初的进化选择可能发生于肠道内，而肝脏中的细菌则是由某一进化分支转移过去的。为了检测这一分支可能定植的位置，研究人员对肠道内多个位置分离的菌群进行了宏基因组分析。结果显示从肠壁黏膜分离的菌株携带了与肝脏菌株相同的突变，表明肝脏中的
E. gallinarum
主要来源于这部分定植在肠黏膜的细菌。对肠道细菌来说，肠腔与肠黏膜环境的一大区别在于宿主免疫防御机制程度的不同。宿主通过分泌抗菌肽等机制阻止大部分细菌靠近肠黏膜从而防止潜在致病菌的入侵，因此研究人员推测肠黏膜处的菌株可能通过突变获得了抵抗免疫监测和清除的能力。通过RNA测序和透射电子显微镜等技术，发现肝脏
E. gallinarum
菌株的细胞壁结构发生了改变，包括肽聚糖去乙酰化程度增加和壁外胶囊
(polysaccharide capsule)
增厚。重构的细胞壁帮助部分
E. gallinarum
分支躲避宿主免疫系统的监测以及更好地抵抗免疫清除，从而能成功定植于肠黏膜。
根据 “肠漏”
(leaky gut)
假说，当肠壁完整性受到破坏时，部分肠道细菌可能会从肠道泄漏而入侵内脏器官。研究人员发现肠黏膜和肠腔
（粪便）
来源
E. gallinarum
菌株的定植会引起截然不同的宿主反应：肠腔来源的菌株诱导肠壁上皮细胞黏液的分泌和上皮内淋巴细胞
(intraepithelial lymphocytes)
的募集从而增强肠壁完整性；而黏膜来源的菌株则躲避肠上皮的识别，破坏肠壁完整性，从而入侵肠壁和肝脏，并引起肠道和肝脏的炎症。增强的免疫抗性也可帮助黏膜菌株在肝脏中存活更长时间。
尽管文章中主要阐述了
E. gallinarum
的情况，研究人员同样检测了另外两种常见肠道共生菌：
Lactobacillus reuteri
（罗伊氏乳杆菌）
和
Bacteroides fragilis
（脆弱拟杆菌）
。虽然由于菌种本身属性的差异，
L. reuteri
出现了肝脏转移而
B. fragilis
没有，但是这两种细菌都在肠道内进化出了不同分支用于定植肠腔或肠黏膜。这也表明上述的研究结论也许并不仅适用于
E. gallinarum
一种细菌。
第一作者杨祎说到：“
我希望这项研究可以为今后的菌群相关研究提供一个新的视角：我们体内的细菌并非一个个静态的组成单位，其行为会因诸多环境因素影响而发生改变，少许突变即可显著改变细菌表现的性状。因此，相较于传统单纯的基因测序 (16S rRNA or metagenomic sequencing) ，对菌群功能性状的分析或许在评估与疾病的相关性中更有效。另外，阻断共生菌通过宿主内突变进化获取致病性或许可成为今后菌群介导的疾病的治疗策略。
”
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04949-x
1 Schloissnig, S. et al. Genomic variation landscape of the human gut microbiome. Nature 493, 45-50, doi:10.1038/nature11711 (2013).
2 Zhao, S. et al. Adaptive evolution within gut microbiomes of healthy people.
Cell Host Microbe
25, 656-667 e658, doi:10.1016/j.chom.2019.03.007 (2019).
3 Manfredo Vieira, S. et al. Translocation of a gut pathobiont drives autoimmunity in mice and humans.
Science
359, 1156-1161, doi:10.1126/science.aar7201 (2018).
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