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3个故事概览突飞猛进的肠道病毒组研究

3个故事概览突飞猛进的肠道病毒组研究

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2020/05/22 11:15
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3个故事概览突飞猛进的肠道病毒组研究

3个故事概览突飞猛进的肠道病毒组研究

编者按:

 

提到病毒可能很多人就会想到疾病和死亡,尤其是在当下这个特殊的时期。

 

过去 2 个月,新冠肺炎(COVID-19)在全世界范围内大流行,截至 4 月 9 日 15:00,中国累计确诊人数达到 83,249 人,海外确诊人数达到 1,431,254 人。不论是谷歌学术还是 Pubmed 的页面上都开辟了新冠肺炎链接,一键就能直接获取关于该病毒的最新研究进展。

 

但是和细菌一样,病毒与疾病或死亡之间并不能直接画上等号。实际上,不论是在我们的肠道中还是皮肤表面都存在着大量的病毒,而关于病毒,我们知之甚少。

 

 

不过,最近出现了许多关于肠道病毒的新研究。今天,我们就来一起聊聊肠道病毒组。

未知的病毒组


过去十年,肠道微生物组领域快速发展,但是实际上我们对肠道微生物组的认识仍然十分有限,尤其是当涉及到肠道中的病毒时,我们对这些微生物的了解就更加不足了。因此,人类肠道中的病毒也被称为“暗物质”。

 

近年来,人们已经逐渐意识到肠道病毒和细菌一样对宿主的健康也具有重要意义,越来越多的研究开始关注肠道病毒组。

 

今天,我们就来讲 3 个关于肠道病毒组的故事。首先,从粪便病毒组移植(FVT)开始说起。

 

 

故事1

移植或服用病毒能治病?

 

我们已经听过很多关于粪菌移植(FMT)的成功案例,也有许多公司如 Rebiotix 公司正在积极开展使用粪菌移植治疗艰难梭菌感染的临床试验。但是粪便病毒组移植你可能是第一次听说。

 

(关于此内容《肠道产业》有相关报道,推荐阅读:终于,有菌群药物杀入 3 期临床!期待这家公司成功!

 

过去的研究发现肥胖和 Ⅱ 型糖尿病与肠道菌群失调有关,也有研究提示我们或可通过调控病毒进一步改善肠道菌群,那么粪便病毒组移植真的有可能治疗肥胖吗?

 

近期,Gut  杂志上发表了来自丹麦哥本哈根大学研究团队关于 FVT 的一项概念验证试验结果。

 

该研究发现在接受精瘦小鼠的粪便病毒组后,采取高脂饮食的小鼠肠道细菌和病毒组发生变化,同时体重增长缓慢,并且还能够保持正常的血糖指标。

 

关于该研究《热心肠日报》做过相关报道:

移植粪便病毒组,改善小鼠糖尿病和肥胖

[IF:17.943]

Gut

① 对高脂喂养的小鼠进行粪便病毒组移植(FVT),移植来自低脂喂养的瘦小鼠的盲肠病毒组;② FVT 后第 6 周,受体小鼠的体重增长显著降低,且葡萄糖耐受性与瘦小鼠相似,没有发生高脂喂养引起的糖耐受损;③ 与此一致的是,FVT 显著改变了小鼠的肠道细菌和病毒组成、血浆代谢物以及与肥胖和 2 型糖尿病相关基因的表达水平;④ 但在 FVT 前进行抗生素预处理,反而会削弱 FVT 的有益效果。

 

Faecal virome transplantation decreases symptoms of type 2 diabetes and obesity in a murine model
03-12, doi: 10.1136/gutjnl-2019-320005

【主编评语】噬菌体是粪便病毒组的主要成员,移植粪便病毒组(FVT)或能有效的操纵肠道菌群。Gut最新发表了来自丹麦哥本哈根大学团队的研究,在一项概念验证试验中发现,接受瘦小鼠的粪便病毒组移植后,吃高脂食物的小鼠体重增长变慢,同时还能保持正常的血糖指标,FVT 引起的肠道菌群变化可能介导了这些对代谢的保护性作用。这项研究说明,噬菌体介导的疗法或能用来治疗肥胖和糖尿病等肠道菌群相关疾病。

该研究提出了一种全新的微生物治疗方案,并且为利用病毒调控细菌乃至整个微生物组提供了有力的支持。不过也有人提出质疑,粪便病毒组移植真的比粪菌移植要更加安全吗?

 

 

这一问题目前我们可能还无法回答,但是在使用病毒进行治疗方面,实际上已经有很多公司在尝试利用噬菌体疗法了。

 

伴随着微生物组研究的发展,人们提出了一种全新的微生态药物疗法——噬菌体疗法。该疗法是指通过找到专有细菌靶标,并针对这些靶标定制天然和工程化的噬菌体混合物(被称为“噬菌体鸡尾酒”),以消灭这些特定的细菌,恢复微生物组。

 

虽然目前大部分的研究都处于临床前阶段,但是该疗法一直被市场看好。

 

位于维也纳的 PhagoMed 公司的几款噬菌体候选药物正在进行临床前研究。

 

PhagoMed 公司首席执行官兼联合创始人 Lorenzo Corsini 表示:“无论这些细菌是否耐药,噬菌体都能杀死他们。而且噬菌体还具有额外的优势,那就是它们可以精确地靶向细菌菌株,而不杀死有益细菌,这是抗生素所做不到的。”

 

不过也有另外一些微生物公司已经领先一步,率先进入了临床阶段。

 

以色列的 BiomX 初创公司针对痤疮的噬菌体疗法 BX001 已经进入了临床 I 期。

 

3 月 31 日,BiomX 公布了 BX001 第一阶段研究的阳性结果。结果显示,与安慰剂相比,高剂量 BX0001 组的痤疮丙酸杆菌相对丰度显著降低。而痤疮丙酸杆菌已被报道会引起痤疮。

 

另外 BiomX 也在积极研究针对炎症性肠病的噬菌体候选药物。

 

 

而另一家位于美国的噬菌体疗法初创公司 Locus Biosciences 于今年 1 月宣布开展世界上首个针对重组噬菌体疗法的对照临床试验。

 

该试验针对 Cas3 的 CRISPR Cas3 增强噬菌体(crPhage)产品,该产品能够靶向引起尿路感染的大肠杆菌。

尽管,人们已经开始尝试通过移植或“服用”病毒的方式来治疗疾病,但是千万不要因此就认为我们对肠道病毒组已经有了充分的了解,其实我们才刚刚开始探索,甚至关于正常人的肠道病毒组的稳定性问题也是最近才有了答案。

 

这就是我们今天要讲的第 2 个故事。

 

故事2

稳定而个体化的肠道病毒组

 

我们已经知道肠道中存在的大部分病毒是噬菌体,但是这些病毒是稳定存在的吗?会随着时间变化吗?

 

近期,爱尔兰科克大学的微生物学家回答了这个问题。

 

研究人员监测了 9 名健康人的肠道病毒组整整一年,监测了 1 名健康人的病毒组两年多。结果显示肠道病毒随着时间推移没有发生显著变化,是稳定存在的,且是高度个体化的。

 

关于该研究《热心肠日报》做过简要报道:

Cell子刊:稳定、个体化的人类肠道病毒组

Cell Host and Microbe

[IF:15.753]

① 纳入10名健康成年人,用宏基因组学方法深入分析粪便病毒组成在1年间的变化,发现肠道病毒组是高度个体化和稳定的;② 将个体肠道病毒中稳定存在且高占比的病毒组分命名为“持久稳定的个体病毒组”(PPV),主要包括烈性的crAss样噬菌体和其它有尾噬菌体目成员,以及微小噬菌体科;③ 这些持久稳定存在的噬菌体可能与占主导地位的肠道细菌类群(如拟杆菌属、普氏菌属和粪杆菌属)有关。

The Human Gut Virome Is Highly Diverse, Stable, and Individual Specific
2019-10-09, doi: 10.1016/j.chom.2019.09.009

【主编评语】人类的肠道中含有大量的病毒,其中绝大部分是噬菌体。在人肠道微生物组的研究中,关于病毒组的研究还比较缺乏。Cell Host and Microbe发表的一项研究,开发了基于宏基因组学的方法工具,能更为深入全面的分析人类肠道病毒组。该研究通过纵向队列分析表明,人肠道病毒组是稳定且高度个体化的,且每个人都存在“持久稳定的个体病毒组”(PPV),由靶向主要肠道细菌类群的烈性噬菌体组成。这些发现为进一步深入研究人类肠道病毒组打下了基础。

英国 Quadram 研究所的 Evelien Adraenssens 对该工作评价道:“它证实了最近的一种观点,即成年个体之间不存在核心肠道病毒,这一点与我们肠道微生物组中的细菌不同,因为不同人之间存在很多相同的细菌。

 

 

因此,我们需要对肠道中的病毒进行更多的研究,以建立健康人肠道病毒基线,同时还要考虑到地理、种族、生活方式等因素的影响。只有在知道什么是健康的病毒之后,我们才可以研究病毒与复杂疾病的关联,以及寻找可用作疾病标记物的病毒。”

 

而科克大学的研究人员也正是考虑到基线这一问题才决定进行该研究。

 

该研究的第一作者 Andrey Shkoporov 表示:“我们认为,‘在我们开始探究不同健康状况间的病毒差异之前,为什么我们不考虑健康人之间肠道病毒的纵向稳定性和个体间差异呢?’”

 

于是就有了这项听起来好像并不是那么复杂的研究。确实,和过去许多关于肠道细菌组的研究类似,只需要定期采样然后测序分析即可,但是当你把细菌组换成病毒组时,这件事的难度就大大增加了。

 

这是因为不同病毒之间差异巨大,缺乏像细菌的 16S rDNA 或真菌的 ITS 一样的代表性序列,而且病毒数据库所含信息并不完整,换句话就是肠道中存在着大量病毒根本不在现有的数据库中。

 

Shkoporov 说,由于 99%的肠道病毒是未知的,因此不可能依靠已有的病毒序列数据库来找出肠道中全部病毒。

那要怎么办呢?

 

研究人员最终决定通过下述方法来进一步揭示肠道病毒组隐藏的系统发育核心:首先,对序列进行组装,接着,预测编码蛋白质的基因,然后通过分析数据库中已有的蛋白质与这些由长 DNA 序列编码的蛋白质之间的相似性来推测病毒可能具有的结构或功能。

 

Shkoporov 补充说:“这可以帮助我们大致了解我们正在处理哪种病毒。”

 

通过这种方法,该研究发现病毒组中含有大量的噬菌体,主要包括烈性的 crAss 样噬菌体和其它有尾噬菌体目成员,以及微小噬菌体科。

 

麦吉尔大学的微生物学家 Corrine Maurice 说:“这项研究为肠道内的噬菌体建立了重要的数据库。这是一个我们没有的数据库,它为我们提供了新工具,能够让我们进一步研究这些噬菌体对宿主健康的影响,帮助我们提出一些非常酷的新假设。”

 

有意思的是,虽然个体间差异巨大,但是肠道病毒组也并非毫无规律可循。该研究发现这些稳定存在的噬菌体可能与占主导地位的肠道细菌有关。

 

对此,Adraenssens 表示:“不同个体的肠道病毒组非常不同,但是却与同一个体中的细菌组很相关。这一结论让我产生了一个疑问,即是否在序列水平上不相关的噬菌体在不同个体中占据相同的位置呢?”

 

尽管,关于肠道病毒组我们仍然有很多未知之谜,但是该研究为我们带来了许多关于肠道病毒组的新见解,对未来的研究具有重要意义。

 

圣路易斯华盛顿大学的儿科胃肠病学家 Lori Holtz 说:“虽然我们并不知道病毒和其他微生物在人的肠道中是如何相互作用的,不过可以肯定的是一定存在相互作用。该研究的这些发现可以为未来研究包括病毒组在内的微生物组在发育或疾病中的作用提供参考。”

 

那么病毒组到底在疾病中可能会起什么样的作用呢?与疾病之间有什么样的关联呢?

 

近期有报道发现发育不良的儿童中肠道噬菌体特征与正常儿童明显不同。

 

关于该研究《热心肠日报》做过相关报道:

Cell子刊:发育不良儿童的肠道噬菌体特征

Cell Host and Microbe

[IF:15.753]

① 发育不良儿童的肠道菌群发生改变,变形菌门丰度增高;② 分析孟加拉国38月龄以下发育不良儿童的肠道菌群和噬菌体,发现其噬菌体组成与正常儿童明显不同;③ 正常儿童中温和噬菌体更多,发育不良儿童的肠道细菌有更多的与疾病和代谢相关的特征;④ 体外交叉感染实验表明,低龄(≤23月龄)儿童的噬菌体可影响菌群的组成和数量,发育不良儿童的噬菌体可使健康儿童肠道菌群的变形菌门丰度增加;⑤ 研究提示噬菌体或参与了发育不良儿童的菌群变化。

Bacteriophages Isolated from Stunted Children Can Regulate Gut Bacterial Communities in an Age-Specific Manner
02-12, doi: 10.1016/j.chom.2020.01.004

【主编评语】发育不良在全球范围内影响约22%的5岁以下儿童,这些患儿的肠道菌群以变形菌门细菌增多为特征,但尚不清楚其肠道噬菌体的特征和作用。Cell Host and Microbe近期发表的一项研究,对比了不同年龄段的发育不良患儿与正常儿童的肠道菌群和噬菌体组成,发现低龄儿(≤23月龄的未断奶的婴幼儿)的肠道噬菌体有更强的调控肠道细菌的能力,表明噬菌体或许参与了发育不良患儿的肠道菌群改变,提示对发育不良儿童进行早期肠道菌群干预可能更加有效。

此外,早在 2015 年,一篇发表在 Cell 上的文章就提出溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)患者肠道病毒组的丰富度发生变化1

 

 

而 2019 年 3 月,香港中文大学 Siew C Ng 团队则报道发现 UC 患者的肠粘膜病毒组结构和功能发生变化,其中,多样性、丰富度、种类均衡性均降低。

 

关于该研究《热心肠日报》做过相关报道:

香港中文大学Siew C Ng:揭秘溃疡性结肠炎相关的肠粘膜病毒组变化

Gut

[IF:17.943]

① 肠粘膜病毒组结构和功能的变化,是溃疡性结肠炎(UC)的标志;② UC患者的肠粘膜病毒组中,有尾噬菌体目的丰度高,但多样性、丰富度、种类均衡性低,这一现象与肠粘膜炎症相关;③ 与对照人群相比,UC患者肠粘膜中埃希氏菌噬菌体、肠杆菌噬菌体的丰度显著升高;④ UC患者的噬菌体组功能独特,与细菌宿主适应性、致病性相关的功能被选择性地增强;⑤ 在UC患者肠粘膜中,细菌-噬菌体互作功能有显著降低。

Gut mucosal virome alterations in ulcerative colitis
2019-03-06, doi: 10.1136/gutjnl-2018-318131

【主编评语】香港中文大学Siew C Ng团队近期在《Gut》发表研究,发现中国的溃疡性结肠炎患者中,肠粘膜病毒组的结构和功能有显著变化,提示肠道噬菌体在溃疡性结肠炎发病中可能具有重要作用。

但是有趣的是关于炎症性肠病(IBD)患者肠道病毒组丰富度的变化,有科研人员提出了另一个不一样的结论。 这就是我们今天要说的最后一个故事。

故事3

IBD患者肠道中的“暗物质”

 

这个故事依然与科克大学的微生物学家有关。

 

之前我们已经反复提到关于病毒有太多未知,因此依赖于数据库的方法可能会让我们丢失很多的信息,甚至会对最终的结果产生影响。

 

事实上,虽然已经有许多研究报道发现 IBD 患者的肠道病毒组组成和功能发生改变,但是这些研究几乎都是基于可被注释的病毒数据,而这些信息只占整个病毒组全部信息的 15%左右,这就意味着大量的病毒序列在分析时被丢弃了。

 

因此,2019 年 11 月,科克大学的研究人员使用全病毒组分析方法对公开数据库中的健康人和 IBD 患者的肠道病毒组重新进行了分析,进一步揭示了 IBD 患者肠道病毒组中的“暗物质”。

 

关于该研究《热心肠日报》做过相关报道:

Cell子刊:全病毒组分析揭示IBD肠道病毒组中的“暗物质”

Cell Host and Microbe

[IF:15.753]

① 对公开数据库中的健康人及IBD患者肠道病毒组进行重新分析,共61名健康人、27名克罗恩病患者及42名溃疡性结肠炎患者;② 通过全病毒组分析,鉴定出许多未知的病毒序列,并发现健康人的肠道病毒组中以由烈性噬菌体组成的稳定核心为主;③ 鉴定出IBD特异性的肠道病毒组变化,克罗恩病患者的肠道病毒组中温和型噬菌体的数量增加;④ IBD患者的肠道病毒组变化反映了肠道细菌组成的变化;⑤ 综合细菌菌群及病毒组,可更好地区分健康人与IBD患者。

Whole-Virome Analysis Sheds Light on Viral Dark Matter in Inflammatory Bowel Disease
2019-11-19, doi: 10.1016/j.chom.2019.10.009

【主编评语】Cell Host and Microbe上发表的一项最新研究,对公开数据库中的病毒组序列进行重新分析,鉴定出了IBD患者的肠道病毒组的特异性变化,并发现肠道病毒组的变化反映了肠道细菌的变化。

通过分析,研究人员发现健康人的肠道病毒组主要由烈性噬菌体组成,没有出现可识别的温和型噬菌体特征,而 IBD 患者中不存在健康人所带有的核心病毒,且温和型噬菌体的丰度显著提高。

 

 

另外,研究还发现病毒组的变化可能与发炎的肠道环境有关,如活性氧会导致大量的原噬菌体进入溶菌循环,这可能造成细菌 α 多样性和数量的降低。

 

不过与之前结果不同的是,该研究并未发现 IBD 患者的病毒丰富度与健康对照之间存在差异。这意味着可能在 IBD 患者中并不是增加了温和型的噬菌体而是替代了原有的一些噬菌体。

 

实际上,微生物组研究一直存在着由于无法注释而丢失大量信息的问题,而这一问题在病毒组上更为严峻。因此,当前大多数关于病毒组的研究其实只呈现了病毒的部分视图,而非全局概览。

 

而要解决“暗物质”问题,需要采用新的和改进的数据挖掘策略。一方面我们可以采取基于同源性的方法进行分析比较。而另一方面我们可能需要利用机器学习开发新的分类方法,并且还要辅以实验,尽可能减少“暗物质”的比例。

 

比如 2 月 Science Advances 杂志上发表了一项使用隐马尔可夫模型对 ssRNA 噬菌体宏转录组样品预测的研究。该研究鉴定出了上万个新的 ssRNA 噬菌体基因组序列,极大地丰富了人们对 ssRNA 多样性的认识。

 

关于该研究《热心肠日报》做过相关报道:

Science子刊:宏转录组数据中被忽视的ssRNA噬菌体序列

Science advances

[IF:12.804]

① 以ssRNA噬菌体蛋白为基础,用隐马尔科夫模型对ssRNA噬菌体宏转录组样品预测;② 共鉴定15611条ssRNA基因组序列,编码24419个蛋白,分为3种核心蛋白:MP(成熟蛋白)、CP(外壳蛋白)和RdRp(RNA依赖的RNA聚合酶),RdRp最保守;③ 1015条近于完整,即编码全部三种核心蛋白,其排序或为MP-CP-RdRp,且未检测到相关重组事件;④ 编码至少两种核心蛋白的2987条序列,可分为两个不同的组;⑤ 系统发育分析表明,ssRNA噬菌体主要依RdRp和CP聚类。

Expansion of known ssRNA phage genomes: From tens to over a thousand
02-07, doi: 10.1126/sciadv.aay5981

【主编评语】噬菌体作为地球上数量最多的一种细菌病毒,人们对其种类的认识非常有限。传统的用于分离鉴定噬菌体的方法,因其通量低且对特定噬菌体具有偏好性,难以满足需要。而从微生物宏基因组/转录组数据中鉴定噬菌体序列则高效且全面得多。发表在Science advances上的一项研究,对已发表的微生物宏转录组数据进行ssRNA噬菌体基因组序列预测,鉴定了上万个新的ssRNA噬菌体基因组序列,其中接近完整的有1015个。该研究将ssRNA噬菌体的数量由目前的十几个扩展至了上千个,极大丰富了人们对于ssRNA多样性的认识。

尽管我们描述了成千上万种新型噬菌体的基因组序列,但是能够被分离的却少之又少,这是因为当前缺乏关于病毒的培养系统。

 

 

不过,最近出现的一些新技术可能能够帮助我们解决这一难题。比如,最近发现的一些真核病毒就是依赖于原代分化培养系统,而这些系统的广泛应用可能将帮助我们成功分离培养出更多真核病毒。

 

而在噬菌体方面,一个重大的挑战是,许多作为噬菌体宿主的细菌本身无法使用标准细菌生长培养基进行培养,所以我们还要进一步改进细菌体外生长系统。

病毒是新疗法的关键推动者?

 

可能很多人听到病毒就觉得它们是邪恶的,但是对于生物技术人员而言,这些微小的生物体具有无与伦比的能力,经过数十亿年的发展磨练,它们掌握了渗透和利用包括人类在内的各种生命系统的技能。

 

但是当前对包括噬菌体在内的病毒的研究很有限,实际上噬菌体的研究在整个生命研究领域里属于很小众的研究方向。

 

(更多关于噬菌体的介绍,推荐阅读:马迎飞:让肠道噬菌体研究不再小众,4大魅力深深吸引我!

 

而对病毒了解的局限性就造成我们不仅不能充分利用它们,也难以消灭它们。比如,此次新冠肺炎爆发之际,我们就没有针对该病毒的特效药物,只能不断摸索有效的治疗方案。

 

而想要获得特效药物或者相关疫苗,即便快马加鞭,也需要数月至数年的时间去研发。

 

而关于肠道中的这些病毒,我们目前也不清楚它们究竟在发挥着什么样的作用。但是可以肯定的一点是,这些病毒和细菌一样,它们绝不是单纯地有益于宿主或者有害于宿主。

 

 

不过,相信随着病毒研究的增加,我们会更清楚地了解在不同情况下它们所发挥的作用——究竟是导致死亡和疾病,还是有助于宿主健康。

 

同时,随着对病毒了解的不断深入,它们也会变得越加令人印象深刻,因为,它们很有可能会成为新疗法的关键推动者,为我们提供更多的可能性。

 

而且也只有加强对病毒的研究,才能够让我们以“毒”攻毒,变“毒”为宝。