微生物学

在肠道中捉迷藏

肠道菌群中的细菌如何逃脱以噬菌体为目标的噬菌体?保持距离。并当心丝毫偏差。

路易莎·德索迪 , 劳伦·德巴比 et 洛伦佐·查法灵 科学档案N 109
鹰和兔子

高高的天空中,一只鹰eagle翔,浏览着飞过的草原。突然是潜水。猛禽以惊人的速度猛烈地从兔子的洞穴中猛扑下来。他将来会在他的爪子上吃晚饭,然后飞走。对于一位主角而言,这一集很引人注目,它说明了人口动态的所谓“源汇”模型,根据该模型,空间异质性为食肉动物提供了避难所,而食肉动物难以进入。在这些庇护所内,猎物可以在庇护所内繁殖并形成弹簧。随着它们的移动,这些猎物中的一些有时会暴露于掠食者,即井的主人。此模型适用于兔子和鹰,也适用于肠道微生物区系中的细菌和噬菌体,以及使用它们进行繁殖而自费繁殖的病毒。说明。

“肠”大陆

肠是直径,长度和形状不同的器官。从物理上讲,我们可以区分绒毛(褶皱),隐窝(凹陷)和内腔,这是肠腔中心的名称。这些结构经历一系列收缩,因此推注得以进行。肠壁是管腔内容物与血液之间的屏障,主要由专门吸收营养的细胞,肠上皮细胞和产生粘液的称为“粘液性”的细胞组成。这种由糖和蛋白质组成的粘性物质有助于屏障功能,屏障功能通过衬砌上皮细胞来保护它们。这些结构在一起是肠道代表的“大陆”的不同区域。

居民,即肠道菌群中的许多微生物,起着越来越广为人知的作用:促进营养的吸收,促进肠道的新陈代谢,甚至教育免疫系统。但是,大多数关于微生物群的研究都集中在细菌上,而常常忽略了其他微生物,例如酵母菌以及更多的病毒。但是,就像任何带有微生物的环境一样,肠道中含有许多病毒,其中最丰富的是针对细菌的噬菌体。

肠

肠不是均匀的环境。它分为多个区域,特别是在粘液层之间有区别 (绿色) 肠腔,内腔。这种生物地理学是细菌与噬菌体共存的关键。

©L.Chaffringeau,L.Debarbieux,L de Sordi

发现于 xxe 世纪以来,这些病毒无法感染人类细胞。但是它们的行为就像对细菌的任何其他病毒一样。首先,它们识别出细菌主体表面上暴露的蛋白质或糖类组成的模式。这些模式在每个细菌种类之间并且甚至在每个菌株之间通常也不同,因此赋予每个噬菌体宿主特异性。一旦识别出细菌,噬菌体会将其基因组注入细胞质,从而重新配置细菌的细胞机制以产生新病毒。在该过程结束时,细菌死亡并释放出噬菌体,准备感染其他细菌。

一个多世纪以来,实验室中噬菌体的研究为细胞和病毒的功能提供了重要的见识。但是对环境中这些传染原的研究,无论是在海洋,土壤还是动植物中,都只是在最近二十年才开始。

面对多样化的微生物种群,噬菌体通过其宿主特异性最初将仅感染某些细菌并产生新的克隆,这些克隆有时会通过突变获得感染其他细菌的能力。这种病毒的进化既受噬菌体的本质(并非都具有相同的进化能力)的限制,又受细菌配备的防御手段的限制。

军备竞赛

在实验室中,将细菌和噬菌体置于均匀的环境中时,猎物很快就会形成防御手段。实际上,细菌也会进化,并且一些细菌会看到它们的受体发生突变,这会削弱其被噬菌体的识别能力。他们还使用限制系统破坏细胞质中噬菌体的基因组。因此,细菌和噬菌体在彼此面前时会使用各种武器和防御装置发生冲突。这种“军备竞赛”不过是细菌和噬菌体种群转化的共同进化。这种共同进化的基本特征之一是基于细菌和噬菌体的丰度随时间的变化,以及细菌有时对噬菌体敏感且有时具有抗性这一事实。有时,这两个人群中的一个胜过另一个,然后消失。

细菌和噬菌体一起参与军备竞赛。肠子里不是这样!

那肠子呢?自相矛盾的是,实验研究表明动物肠中不存在对噬菌体具有抗性的细菌,但是,细菌和噬菌体的含量相同。另外,最近在健康人类中的研究表明,肠道微生物群的组成随着时间的推移保持稳定,这意味着细菌和噬菌体可以可持续地共存。这两个对立的人群如何在同一个环境中共存而又没有一个压倒另一个?这就是我们想知道的。该解决方案基于肠道的生物地理学。

首先,在鼠模型中,得益于随时间采集的样本,我们证明了细菌没有与肠中存在的噬菌体接触:样本仅包含对细菌敏感的细菌。噬菌体(否则,它们会产生抗药性)。但是,这些病毒的确存在很多,这意味着它们能够繁殖,而这只能以细菌为代价。没有细菌,一次施用的噬菌体只能通过消化道而不能永久地驻留在消化道中。因此,细菌和噬菌体之间的共存并不是主要由军备竞赛引起的。

每个都有自己的位置

为了解释这种现象,我们研究了细菌和噬菌体之间发生相互作用的环境,更确切地说,是在两个隔间中的猎物(细菌)和掠食者(噬菌体)的分布。管腔和外部黏液。与腔部分相比,在粘膜部分观察到更少量的噬菌体。

噬菌体缺乏活力(它们不能自行移动),因此它们会随着肠道内部的运动而被动扩散。另一方面,细菌具有特殊的结构,因此细菌可以主动移动,包括在粘液中移动,以便例如在其中找到营养。

因此,将对粘在粘液中的细菌进行物理保护,使其免受在管腔中盘旋的噬菌体的侵害。在避难所中,细菌不在噬菌体的压力下,也没有形成防御机制,对它们仍然敏感。当粘液的产生将某些细菌推向肠腔时,它们就会被噬菌体所利用,从而使它们繁殖并保持其丰度。

我们发现鹰和兔子的“源-汇”模型!因此,肠道生物地理学有助于细菌和噬菌体之间的共存,并解释了为什么这种环境下的种群动态与实验室观察到的不同。

肠壁

在衬着肠壁的粘液层中,细菌对腔内的噬菌体保持免疫。如果其中一个人确实闯入该地区,它将成为该病毒的牺牲品,就像从洞穴中出来的兔子很容易受到像鹰一样的掠食者的攻击。

©L.Chaffringeau,L.Debarbieux,L de Sordi

体外 这种共存本质上是基于对噬菌体敏感并具有抗性的细菌种群的波动,在肠道中建立的平衡是基于该器官的生物地理学。当然,这一环境因素并不是干预这些平衡的唯一因素。实际上,在某些病理学例如结肠癌中,而且在肠外疾病例如自闭症或抑郁症中,细菌和噬菌体之间的平衡也被改变。有时环境本身会受到干扰,从而导致噬菌体和细菌之间的相互作用发生变化。在慢性炎症性肠病中就是这种情况,其中改变的粘液层可能会限制其对细菌提供的针对噬菌体的保护作用,从而加剧已经存在的微生物群的失衡。

迄今为止,仅作假设来解释这些变化。当前的研究无疑将揭示这些动态相互作用的新方面,可能与原始治疗方法有关。但是他们将无法帮助鲁re的兔子。

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