科研 | Gut Microbes:维生素D受体条件性缺失导致肠道病毒群失衡和病毒-细菌相互作用改变

2021
09/03

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微生态
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编译:微科盟牛魔王,编辑:微科盟汤貝、江舜尧。

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导读    
维生素D受体(VDR)的缺失与癌症、感染以及慢性炎症有关。研究证明VDR能够调控细菌;然而,对VDR和病毒的关系知之甚少。本研究假设VDR的缺失会影响肠道病毒和病毒与细菌的相互作用。首先,我们特异性地敲除了小鼠肠上皮细胞(VDRΔIEC)、Paneth细胞(VDRΔPC)和髓样细胞(VDRΔlyz)的VDR基因。然后,收集小鼠粪便进行鸟枪式宏基因组测序和代谢物图谱分析。最后,为了检测其功能变化,我们评估了模式识别受体(PRRs),并分析了微生物代谢产物。我们发现弧菌噬菌体、乳杆菌噬菌体以及大肠杆菌分型噬菌体在三种条件性VDR基因敲除小鼠中都显著富集在VDRΔLYZ小鼠中,其它8种病毒(2种富集,6种减少)的水平也发生了显著变化,这些变化的病毒主要见于雌性VDRΔLYZ(2种富集,3种减少)与雄性VDRΔLYZ(1种富集,1种减少)。病毒丰度的α和β多样性(从科到种)也发生了改变。在VDRΔIEC小鼠中,牛病毒性腹泻病毒1显著富集。在条件性VDR基因敲除小鼠中,病毒和细菌之间的变化存在显著的相关性。在VDRΔPC和VDRΔlyz小鼠中,弧菌噬菌体JSF5与痤疮丙酸杆菌呈正相关;另外,在雌性条件性VDR敲除小鼠中有更多的病毒种类改变。值得注意的是,这些小鼠的模式识别受体也发生了显著的变化:VDRΔlyz小鼠TLR3、TLR7和NOD2表达上调,VDRΔIEC和VDRΔPC小鼠CLEC4L表达增加此外,我们还鉴定了与病毒感染相关的代谢物:VDRΔIEC小鼠的血糖降低,VDRΔlyz小鼠的核酮糖/木糖和木糖增加,VDRΔIEC和VDRΔlyz雌性小鼠的长链脂肪酸增加VDR的组织特异性缺失改变了病毒群,并改变了病毒受体的功能,从而导致生态失调、代谢功能障碍和感染风险。这项研究有助于阐明VDR调控病毒群的组织特异性和性别特异性。  

 

论文ID


 

名:Imbalance of the intestinal virome and altered viral-bacterial interactions caused by a conditional deletion of the vitamin D receptor

维生素D受体条件性缺失导致肠道病毒群失衡和病毒-细菌相互作用改变

期刊Gut Microbes

IF:10.245

发表时间:2021.8.10

通讯作者:夏英林孙军

通讯作者单位:美国伊利诺伊大学芝加哥分校医学系消化科


实验设计



结果


1 条件性VDR敲除小鼠的整体病毒群组成

在对照小鼠(VDRLoxP,7只雌性和3只雄性)和条件性VDR敲除小鼠(VDRΔIEC,VDRΔPC和VDRΔLyz,每组各5只雄性和5只雌性)的粪便样品(共40)中,总共鉴定了4048种病毒。各组之间存在不同的病毒组成和群落,其在多样性和组成上都不同。作者选取每个样本前10种最丰富的病毒种类进行展示(图1a)。这些样本中最丰富的物种分别是弧菌噬菌体JSF5,弧菌噬菌体JSF6,BVDV-1(牛病毒性腹泻病毒1),大肠杆菌O157分型噬菌体7,人α-疱疹病毒1,乳杆菌原噬菌体Lj771,甲型流感病毒,乳杆菌噬菌体KC5a,和未鉴定的病毒(图1a)。与对照VDRLoxP小鼠相比,三种VDR KO小鼠模型中弧菌噬菌体JSF5和JSF6丰富度均更高,而VDRΔPC小鼠中大肠杆菌O157分型噬菌体7更丰富,VDRΔLyz小鼠中乳杆菌噬菌体phiadh显著减少(P<0.01)(图1b)。


图1. 三种条件性VDR敲除小鼠(VDRΔIEC, VDRΔPC和VDRΔLyz)和对照VDRLoxP小鼠的粪便中病毒群的丰度改变。(a)在物种水平上(科/f_;s_;未知物种以总级和其它命名)病毒的相对丰度显示前10的物种,而数量较少的物种归类为“其他”。右侧图例的颜色代表不同物种。每个柱条代表一个单独的小鼠。n=10只/组。VDRLoxP:雌性7例,雄性3例;VDR基因敲除组:雌性5例,雄性5例。(b)用不同的颜色表示四种被研究的小鼠基因型,病毒丰度差异在前10的物种被列出(以每百万个物种计)。各组与对照组VDRLoxP小鼠进行统计分析比较。均值±标准差,每组n=10,**P<0.01,*P<0.05,Kruskal-Wallis检验。
 
2 条件性VDR敲除小鼠中病毒群多样性的改变
作者发现在病毒种水平上,VDRΔIEC 、VDRΔPC和VDRΔLyz小鼠的Shannon多样性显著低于VDRLoxP对照组小鼠(P = 0.05、P = 0.05和P = 0.04)(图2a)。PCoA结果也显示条件性VDR敲除小鼠和对照小鼠之间的病毒存在显著差异(图2b)。其中,VDRΔIEC小鼠与对照VDRLoxP小鼠部分重叠,VDRΔPC和VDRΔLyz小鼠与VDRLoxP小鼠完全分离,这四组间的样本差异和组间差异共能解释动物间37.2%(29.3%+7.9%)的差异。随后,作者用非参数PERMANOVA来评估VDR状态是否影响整体肠道病毒谱。“组与性别” 序贯检验 显示,组间差异具有统计学意义(P = 0.011)。由于组间的整体差异显著不同,作者使用配对PERMANOVA分析,发现病毒的Bray-Curtis相似性在VDRΔIEC、VDRΔPC和VDRΔLyz小鼠与VDRLoxP小鼠中存在显著差异。此外,通过ANOSIM证实了组间和组内存在显著差异(P =0.001),即VDRΔIEC、VDRΔPC和VDRΔLyz小鼠的相似性比VDRLoxP小鼠高(图2c)。

图2. 四种基因型小鼠粪便中病毒丰度的α和β多样性。(a)小提琴图展示α多样性。用Shannon多样性指数测定对照组(VDR LoxP)和条件性VDR基因敲除小鼠(VDRΔIEC、VDRΔPC和VDRΔLyz)肠道病毒α多样性的差异,每组10只。图上所示的P值。(b)小鼠粪便样本的主成分分析(PCoA)图,检验其均匀性和多变量分散性。从不同基因型的小鼠采集的样本在插图中标有颜色,每组n=10。(c)组间和组内的Bray-Curtis相异性。对VDRLoxP、VDRΔIEC、VDRΔPC和VDRΔLYZ小鼠按Bray-Curtis相异度进行相似性分析,每组10只。
 
条件性VDR基因敲除小鼠体内病毒丰度的变化

条件性VDR基因敲除小鼠与对照小鼠相比,共有12种病毒不同,其中6种q<0.001,2种q<0.01,4种q<0.05(图3a)。在VDRΔIEC/VDRLoxP和VDRΔPC/VDRLoxP的比较中,弧菌噬菌体JSF5(q<0.001)和牛病毒性腹泻病毒1(q<0.05)显著富集;而VDRΔPC和VDRLoxP相比,仅弧菌JSF5显著富集(q<0.01)以彩色直方图显示(图3a)。VDRΔLYZ和VDRLoxP相比,共9种病毒有明显改变(5种q<0.001,1种q<0.01,3种q<0.05)。其中,有3种富集(弧菌噬菌体JSF5/6和牛病毒性腹泻病毒1),6种减少(乳杆菌噬菌体phiadh,樱桃绿环斑驳病毒,噬菌体KC5a,禽类禽副黏病毒1,分枝杆菌病毒Phayonce,以及短尾噬菌体科的一个未知物种)(图3a)。


图3. 四种基因型小鼠粪便中病毒基因的差异分析。(a) 在VDRΔIEC/VDRLoxP、VDRΔPC/VDRLoxP和VDRΔLYZ/VDRLoxP两两比较中,p≤ 0.05的病毒的Log2-foldchanges (FCs)表现为增加(红色)或减少(蓝色),每组n=10。***表示q值(经FDR校正的p值)<0.001,**表示q<0.01,*表示q<0.05,#表示q<0.1。(b) 雌雄两两比较中q≤0.05的病毒种类在条件性VDR基因敲除组(VDRΔIEC、VDRΔPC和VDRΔLyz)和对照小鼠(VDRLoxP)之间的三次比较中显示了倍数变化(LogFCs)和q值,倍数变化和q值都使用图右侧列出的图例颜色,每组n=10。
 
4 VDR状态改变了肠道病毒群的性别差异

为了研究性别对小鼠肠道病毒群落变化的影响,我们用fold-changes和q值说明了雄性和雌性小鼠中病毒物种丰度的显著差异。在我们的研究中,所有调查组都包含了雄性和雌性小鼠,VDRLoxP:雄性n=3,雌性n=7;VDRΔIEC:雄性n=5,雌性n=5;VDRΔLyz:雄性n=5,雌性n=5。雌性VDRΔIEC/VDRLoxP小鼠相比较,发现7种病毒显著改变(2种富集:弧菌噬菌体JSF5和牛病毒性腹泻病毒1;5种减少,即乳杆菌原噬菌体phiadh,乳杆菌原噬菌体KC5a,乳杆菌原噬菌体lj771,猕猴α-乳杆菌,猫病毒CTV1),但在相同两组雄性比较中未发现明显改变。然而,雌性VDRΔPC与对照VDRLoxP小鼠相比,只有弧菌噬菌体JSF5富集(图3b)。在雌性VDRΔLYZ和VDRLoxP的比较中,有5种差异显著(q < 0.05)(2种富集:噬菌体JSF5和牛病毒性腹泻病毒1,3种减少,即乳杆菌原噬菌体phiadh、樱桃绿环斑驳病毒和乳杆菌原噬菌体KC5a),而雄性只有弧菌JSF5富集,乳杆菌原噬菌体phiadh减少。总而言之,在条件性VDR基因敲除小鼠中,雌性小鼠比雄性小鼠发现更多变化的病毒,这表明VDR状态对不同性别的小鼠存在影响

 
5 VDR缺失导致弧菌噬菌体显著富集
作者发现与对照VDRLoxP小鼠相比,VDRΔIEC、VDRΔPC和VDRΔLyz小鼠显著富集了大量的弧菌噬菌体JSF5和JSF6(图1)。差异分析显示,与对照组相比,三种条件性VDR基因敲除小鼠中弧菌噬菌体JSF5/JSF6显著富集(q < 0.01)(图3),并且与VDRLoxP小鼠相比,弧菌噬菌体JSF6在 VDRΔLyz 小鼠中更为富集(q < 0.01)(图3)。
 
条件性VDR敲除小鼠的细菌丰度改变

霍乱弧菌(弧菌噬菌体JSF5和弧菌噬菌体JSF6的宿主),在条件性VDR敲除小鼠中大量富集(图1b);与对照小鼠相比,在敲除小鼠中检测到较低浓度的霍乱弧菌,尤其在VDRΔLyz小鼠中丰度更低(p<0.05)(图4a),这与VDRΔLyz小鼠富含弧菌噬菌体JSF5/JSF6的发现相一致。在加氏乳杆菌、乳杆菌原噬菌体phiadh和乳杆菌原噬菌体KC5a的细菌宿主中也发现了类似的情况(图1b;图4a)。此外,大肠杆菌(大肠杆菌O157分型噬菌体7的靶宿主)细菌丰度与小鼠体内噬菌体变化相反(图1b;图4a)。微生物群落中细菌丰度的改变支持了我们关于病毒群变化的发现。

为了进一步评估变化细菌的组成,作者对三组小鼠模型进行差异分析,显示了q < 0.1的变化细菌(图4b)。发现与对照VDRLoxP小鼠相比,VDRΔIEC小鼠中杜克雷嗜血杆菌和华葵中根瘤菌显著减少(图4b)。同时,与对照组相比,VDRΔPC小鼠体内5种细菌明显减少,3种细菌显著富集。这些减少的细菌是杜克雷嗜血杆菌、康氏嗜血杆菌、微杆菌LKL04、Isosphaera pallidaActinomyces radingae,3种富集细菌分别为单形拟杆菌、Faecalibaculum rodentium痤疮丙酸杆菌(q < 0.01)(图4b)。此外,我们还发现,在VDRΔLyz小鼠体内,9种细菌显著减少,3种细菌富集。这些减少的细菌是假长双歧杆菌、Bifidobacterium choerinum、动物双歧杆菌、伪欣氏鲍特菌、杜克雷嗜血杆菌、产气荚膜梭菌、链霉菌和产酸拟杆菌,富集的3种菌是青枯雷尔氏菌、Chroococcidiopsisthermalis痤疮丙酸杆菌(图4b)。数量较少的杜克雷嗜血杆菌是一种革兰氏阴性细菌,也是生殖器溃疡疾病的病原体,在三种条件性VDR基因敲除小鼠中都检测到了这种细菌。与病毒相似,与对照小鼠相比,VDRΔPCVDRΔLyz小鼠体内的细菌种类更丰富(总共7)或更少(总共24)(图4b)。


图4. 细菌丰度的改变及其与病毒改变的相关性。(a)与噬菌体改变后相关的细菌种类被显示为每百万个细菌的差异丰度,包括霍乱弧菌、加色乳杆菌和大肠杆菌,平均值±标准差,每组n=10;Kruskal-Wallis检验。(b)q ≤ 0.1的细菌的Log2-fold changes(FCs)在3组两两比较中表现为增加(红色)或减少(蓝色):VDRΔIEC/VDRLoxP、VDRΔPC/VDRLoxP和VDRΔLYZ/VDRLoxP,每组n=10。***表示q值(经FDR校正的p值)<0.001,**表示q<0.01,*表示q<0.05,#表示q<0.1。(C)条件性VDR基因敲除小鼠粪便中细菌和病毒的相关矩阵。利用R中的HMIC软件包对病毒(垂直)和细菌(水平)物种与差异分析中的q≤0.05进行相关性分析,热图上显示了正相关(红色)和负相关(绿色)的值。***表示P<0.001,*表示P≤0.05,每组n=10。

 

7 条件性VDR KO小鼠中病毒和细菌改变的相关性

在条件性VDR KO小鼠中,病毒和细菌丰度都发生了改变。为了研究细菌和病毒之间的相互作用,作者进行了病毒和细菌的相关性分析。所有在差异分析中有显著变化的细菌和病毒(q < 0.05)均纳入相关分析。
在VDRΔIEC小鼠中,牛病毒性腹泻病毒1与华葵中生根瘤菌呈显著负相关(相关系数r = 0.63; P = 0.05)(图4c)。在VDR ΔPC 小鼠中,弧菌噬菌体JSF5与痤疮丙酸杆菌呈显著正相关(r = 0.98; P <0.0001)(图4)。在VDR ΔLyz 小鼠中发现11对病毒-细菌显著相关(5对正相关,6对负相关),其中包括弧菌噬菌体JSF5和伪欣氏鲍特菌(r = 0.65; P = 0.04)、弧菌噬菌体JSF5和痤疮丙酸杆菌(r = 0.68; P = 0.03)、牛病毒性腹泻病毒1和动物双歧杆菌(r = -0.64; P = 0.05)、牛病毒性腹泻病毒1和杜克雷嗜血杆菌(r = 0.65; = 0.04)、牛病毒性腹泻病毒1和拟杆菌(r = -0.66; P = 0.04)、牛病毒性腹泻病毒1和双歧杆菌属(r =- 0.66; P = 0.04)、乳杆菌噬菌体和产气荚膜梭菌(r = -0.71; P = 0.02)、弧菌噬菌体JSF6和动物双歧杆菌(r = -0.67; = 0.03)、弧菌噬菌体JSF6和茄科雷尔氏菌(r = 0.65; P = 0.04)、弧菌噬菌体JSF6和杜克雷嗜血杆菌(r = 0.75; = 0.01),短尾噬菌体(科水平)和温泉拟甲色球藻(r = -0.75; = 0.01) (图4c)。此外,我们在 VDR ΔPC 小鼠和VDRΔLyz小鼠中发现弧菌噬菌体JSF5与痤疮丙酸杆菌呈正相关。综上所述,这些数据表明 VDR 的支持下,病毒和细菌相互作用在肠道微生物稳态中的关键作用
 
8 VDR状态改变了结肠上皮细胞中PRRs的表达

为了研究病毒群失调的影响,作者评估了结肠中病毒相关受体(图5)。TLR3和TLR7是位于内体中的跨膜PRRs,它们识别核酸并介导细胞外在病毒的识别。作者观察到与对照组VDRLoxP小鼠相比,条件性VDR敲除小鼠的TLR3和TLR7表达上调,其中VDRΔLyz组与对照组有显著差异(P < 0.05)(图5)。

NLR由一个庞大的受体家族组成,其特征是存在一个保守的NOD基序,包括NOD1、NOD2和NLRPs。NLR被激活后不仅对病毒产生应答,也是其他病毒感知途径的重要调节器。与对照组VDRLoxP小鼠相比,VDRΔLyz小鼠中NOD1和NLRP6表达上调,NOD2 RNA显著增加(P < 0.05);C型凝集素受体(CLRs)通过结合病毒糖链介导细胞对特定病毒的响应。三种条件性VDR敲除小鼠中C型凝集素受体之一的CLEC4L的表达均显著上调,特别是VDRΔIEC和VDRΔPC小鼠(图5)。条件性VDR敲除小鼠PRRs的显著变化表明VDR对肠道稳态和PRRs表达的影响。

 

图5. 条件性VDR敲除小鼠结肠模式识别受体改变。用实时荧光定量PCR方法检测肠道病毒易位相关PRRs的表达,包括TLR3、TLR7、NOD1、NOD2、NLRP6和CLEC4L。均值±标准差,n=3;**P<0.01,*P<0.05,单因素方差分析。
 
9 VDR状态改变粪便中噬菌体感染相关代谢物

微生物衍生的代谢物能够充当化学信使影响宿主生理机能。因此,作者研究了之前报道过与噬菌体感染相关的细菌代谢产物(图6)。与对照组相比,VDRΔIEC小鼠糖酵解途径中的葡萄糖显著降低(P <0.05);VDRΔLyz小鼠的核酮糖/木糖和木糖含量显著增加(P<0.05)(图6a)。此外,与对照组相比,VDRΔIEC和VDRΔLyz雌性小鼠体内的大部分长链脂肪酸显著增加,而部分脂肪酸仅在VDRΔIEC小鼠体内增加。研究表明,10-羟基硬脂酸在感染噬菌体后明显改变,与对照组相比,其在VDRΔLyz小鼠中减少,在VDRΔIEC小鼠增加(P <0.05)(图6b)。此外,在条件性敲除小鼠中也检测到核苷酸的代谢变化,如VDRΔIEC小鼠中的尿苷和VDRΔLyz小鼠中的3-urei-doisobtyrate(P <0.05)(图6c)。同样,在条件性VDR敲除小鼠与对照组小鼠的粪便中氨基酸也发生了变化。例如,与对照组相比,VDRΔIEC和VDRΔLyz雌性小鼠中与噬菌体感染相关的丝氨酸减少,VDRΔIEC和VDRΔLyz雌性小鼠中与细胞病毒感染相关的谷氨酰胺减少(图6d)。


 图6. 条件性VDR基因敲除小鼠和对照组粪便中病毒感染相关代谢物的改变。在雄性和雌性VDRΔIEC、VDRΔPC、VDRΔLYZ和对照小鼠(VDR LoxP)中,与病毒感染相关的代谢物(常规字体)和与噬菌体感染相关的代谢产物(粗体字体)的热图显示了不同的途径,包括碳水化合物(a)、脂质(b)、核苷酸(c)和氨基酸(d)。平均值±标准差,n=5-10;p值表示为右边的颜色条以及块内的数字,双因素方差分析。

讨论


研究表明敲除小鼠肠上皮细胞(VDRΔIEC)、Paneth细胞(VDRΔPC)和髓样细胞(VDRΔlyz)的VDR基因可以显著改变肠道中的病毒分布和病毒与细菌的相互作用(图7)。总体而言,在条件性VDR基因敲除小鼠中,肠道中弧菌噬菌体、乳杆菌噬菌体和大肠杆菌分型噬菌体的组成发生了显著变化。病毒的改变因VDR缺失的不同而不同,如VDRΔlyz小鼠中有7种病毒发生显著改变,而VDRΔIEC小鼠中的牛病毒性腹泻病毒1与对照组小鼠相比显著富集。同时,在条件性VDR基因敲除小鼠中发现了病毒和细菌改变之间的显著相关性。例如,在VDRΔPCVDRΔlyz小鼠中,弧菌噬菌体JSF5痤疮丙酸杆菌呈正相关。此外,作者发现VDR缺陷小鼠模型中存在性别差异,雌性小鼠的病毒丰度比雄性小鼠的病毒丰度变化更大。众所周知,噬菌体可以通过影响其死亡率和水平基因转移来直接调节宿主,或通过影响靶宿主细菌来间接调节宿主,从而可能改变微生物群。在有条件地敲除VDR后,肠道中的病毒群和微生物区系的其他方面发生了变化,从而进一步导致微生物生态失调。从功能的角度来看,与感染相关的PRRs和代谢物的显著变化表明VDR对肠道病毒的动态平衡有影响。

 

图7. 条件性VDR敲除小鼠的动物模型、组、细胞变化、代谢物和微生物组综述。3种条件性基因敲除小鼠(VDRΔIEC、VDRΔPC和VDRΔLYZ,每组雌雄各5只)和对照组(7只雌鼠和三只雄鼠),n=10只/组。
 
本研究目标之一是建立一种合适的统计方法来分析肠道细菌、噬菌体和病毒之间的相互作用。弧菌噬菌体JSF5JSF6是霍乱弧菌所寄生的生物体,可以分泌霍乱毒素,引起病人水样腹泻。乳杆菌噬菌体phiadhKC5a是嗜血杆菌病毒科的成员,可以优先感染加氏乳杆菌,该菌是肠道粘膜的常见成分,在调节肠道免疫系统方面起着重要作用。同样,微生物群落中的相互作用对维持体内平衡和宿主健康也很重要。例如,病毒可以与细菌产物(如脂多糖或类似人血型抗原的物质)结合,增加病毒体的稳定性,保护病毒体免受物理压力。另外,在条件性VDR基因敲除小鼠中,属于 肌病毒科的乳杆菌噬菌体 KC5a和大肠杆菌O157分型噬菌体7以及属于长尾噬菌体科的乳杆菌噬菌体phiadh发生了改变。一项研究表明,克罗恩病(CD)易感基因ATG16L1在感染小鼠诺如病毒的小鼠中被发现。同时,我们之前已经证明VDR转录调控ATG16L1VDR状态可能通过对ATG16L1的作用成为炎症性肠病(IBD)风险的决定因素。这些结果可能支持噬菌体促进与IBD相关的细菌失调的发展的模型。噬菌体通过影响宿主的死亡率和基因转移水平,以及通过进一步改变肠道群落的组成造成生物失调来直接调节宿主。该病毒体可能是人类IBD67的候选生物标志物,因为IBD与有尾噬菌体目的显著扩增有关。在小鼠结肠炎和人类IBD患者中,有尾噬菌体目,包括长尾噬菌体科和短尾噬菌体科发生了改变。因此,需要进一步的研究来阐明肠道病毒在IBD的发生和发展中的真正作用。
VDR 可以促进健康的微生物代谢产物和健康的微生物群来预防肥胖。此外,有报道称,血清 25(OH)D 的增加与有益细菌的增加有关,例如在 IBD 患者中受到抑制,并在肥胖小鼠模型中发生改变。已经有报道称,人类 VDR 基因的变异决定了副类杆菌的丰度。在本研究中,三种 VDR 基因敲除小鼠副类杆菌的丰度降低,进一步证实了 VDR 在基因水平上塑造肠道微生物群 ( 包括真核病毒和噬菌体 ) 的关键作用。

Paneth细胞在形成微生物群和宿主防御方面起着不可或缺的作用。Paneth细胞VDR的缺失会损害抗菌功能,影响微生物的聚集,增加结肠炎和感染的易感性。VDRΔPC小鼠体内的病毒体变化进一步表明,VDRPaneth细胞在塑造肠道微生物群和分泌抗菌肽或代谢物方面发挥着重要作用。Paneth细胞可能通过调节细菌数量间接影响肠道微生物群或病毒感染的结果。Paneth细胞还通过TLRs感知微生物,在宿主防御中发挥关键作用。作者研究发现Paneth细胞中VDR缺失可能导致病毒失调,进一步导致上皮屏障受损。

真核病毒,如腺病毒、乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒和人类免疫缺陷病毒,也存在于一些人的肠道病毒群中,这表明这些真核病毒在宿主中具有潜在的感染能力。BVDV1可感染小鼠并造成显著的组织病理学损害。条件性VDR基因敲除小鼠肠道BVDV1的丰度显著增加,表明VDR在病毒感染和宿主存活中的重要性。此外,维生素D的缺乏与HIV的发病机制和病程相关。缺乏维生素D的艾滋病患者所生婴儿感染风险增加,存活率下降。此外,通过meta分析,VDR基因FokI多态性与呼吸道合胞病毒感染的易感性一致相关。

先天免疫反应是非特异性的,是抵御病原体的第一道防线,引发抗原提呈,包括对病毒感染的反应。作者发现PRRsVDRΔlyz小鼠中有显著的变化,包括TLR3TLR7NOD2的表达上调,在VDRΔIECVDRΔPC小鼠中CLEC4L的表达增加,这表明VDR对肠道病毒的稳态的影响。组织特异性VDR缺失对肠道受体的影响是不同的。例如,髓样细胞中VDR的缺失会显著增加TLR3TLR7NOD2的表达,而肠上皮细胞中VDR的缺失更可能会增加CLEC4L的水平。已知单核细胞和表皮角质形成细胞中的TLR受到VDR的影响。在接受抗病毒药物鸡尾酒疗法的小鼠中,肠道病毒实体的减少可能通过TLR3TLR7信号增加对右旋糖酐硫酸钠诱导的结肠炎的易感性,最终导致有尾噬菌体目病毒水平增加,在IBD患者中也观察到类似的状况。研究表明,VDR缺失会导致更高的感染和慢性炎症风险。

噬菌体的多样性和丰度被认为影响肠道中的细菌群落。作者发现VDR状态改变的病毒群与细菌之间存在显著的相关性。噬菌体和相关细菌的富集是一致的,如噬菌体及其宿主霍乱弧菌。动物双歧杆菌是临床上广泛使用的益生菌之一,其与BVDV1JSF6弧菌呈负相关。动物芽孢杆菌对肠道屏障的保护受损可能会进一步增强宿主对BVDV1等致病病毒的感染,以及对JSF6噬菌体等噬菌体的肠道细菌的感染。同样,被发现对结肠炎有很强保护作用的产酸拟杆菌含量较少,因此与BVDV1呈负相关。同时,伪欣氏鲍特菌JSF5噬菌体呈正相关。作为波氏杆菌属的一个新成员,Bordetella pseudohinzii假鼻疽杆菌最先从实验室饲养的小鼠中分离出来,目前已在世界各地的小鼠设施中检测到。感染小鼠的支气管肺泡灌洗液中的中性粒细胞数量增加,组织病理学检查显示炎症征象增加,但没有明显的临床症状。这些病原体可能通过与肠道微生物合作而诱导更严重的炎症。同样,VDRΔPCVDRΔlyz小鼠的噬菌体JSF5伪欣氏鲍特菌的丰度与对照组小鼠相比也发生了变化。

微生物代谢产物在不同的细胞过程和功能中起着重要的作用。我们发现病毒相关的代谢物和途径发生了显著的变化,比如脂肪酸代谢。致病性真核病毒以脂滴为复制平台,许多非致癌真核病毒在感染过程中与糖酵解、核苷酸合成、脂肪酸生物合成和谷氨酰胺降解等代谢改变有关。这一发现可以解释我们的研究结果,即VDRΔIECVDRΔLyz小鼠中许多长链脂肪酸和脂肪酸代谢物增加。

虽然噬菌体是肠道中数量最多的微生物之一,但也是最不为人所知的。研究发现,噬菌体捕食不仅直接影响敏感细菌,而且通过细菌间的相互作用对其他细菌物种产生连锁效应。此外,正如代谢组学所揭示的那样,噬菌体捕食引起的微生物群落的变化对肠道代谢组有直接的影响。与对照组相比,条件性VDR基因敲除小鼠体内一些与噬菌体感染相关的代谢物水平发生了变化。例如,VDR缺失减少了粪便中的丝氨酸。此外,特定病毒引起的精确新陈代谢变化往往与周围环境相关,甚至在同一病毒家族内也可能有所不同,或者在很大程度上取决于单个宿主。因而,慢性病中病毒新陈代谢调控的复杂性是未来的一个研究领域。


图8. 宿主、细菌和病毒之间的相互关系。


作者目前研究的主要局限在于它的描述性。目前,噬菌体和病毒体及其与细菌相互作用的宏基因组学研究尚处于起步阶段,尚需开展关联性研究以探索新的动物模型。本研究的目的之一是建立一种合适的统计方法来分析宿主、噬菌体、病毒和细菌之间的相互作用。目前的研究没有从相同的小鼠身上收集相同的粪便样本进行微生物群和代谢物分析。无法研究来自同一宿主的病毒和细菌的变化以及新陈代谢的变化。综上所述,第一,条件性VDR基因敲除会导致病毒丰度和多样性的改变,以及病毒肠道受体功能的改变,这可能会进一步导致肠道生态失调和感染风险(8)。第二,在组织特异性缺失的小鼠中,相关的粪便代谢产物发生了改变,这进一步证实了微生物失调的后果。VDR状态对肠道病毒(尤其是噬菌体)的显著改变可能有助于发展肠道噬菌体-细菌或肠道病毒-细菌疗法来对抗病原体。第三,填补了VDR如何以组织特异性方式影响病毒的知识空白。这些变化的生理学相关性将在未来的消化系统疾病和感染模型中得到评估。值得注意的是,越来越多的证据表明VDR的激活在肠道病毒-宿主的相互作用中具有调节作用,需要更多关于维生素D的感知和VDR之间的相互作用的信息。

 



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关键词:
维生素D,噬菌体,乳杆菌,失衡,小鼠,弧菌,丰度

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