Nature Metabolism：氧化鸟氨酸代谢助力非炎症性艰难梭菌定植
2022年1月，斯坦福大学医学院等单位的相关研究人员在《Nature Metabolism》上发表了题为“Oxidative ornithine metabolism supports non-inflammatory C. difficile colonization”的研究论文，揭示了艰难梭菌在非炎症、健康的肠道内持续存在的机制。
亮点概述：
对艰难梭菌感染（CDI）敏感且炎症升高的人源化小鼠的群落氨基酸代谢减少 饮食来源的鸟氨酸代谢可赋予艰难梭菌竞争优势并降低宿主炎症反应 宿主一氧化氮合酶缺陷产生的鸟氨酸为肠腔中的 Cd 提供竞争优势
研究背景：
艰难梭菌（Clostridioides difficile, Cd）是全世界医院内腹泻的主要原因。Cd通过分泌大糖基化毒素蛋白引起疾病，在易感宿主中，感染可导致中毒性巨结肠或死亡。Cd 生物学的一个重要方面是它在没有症状的情况下在人类中持续存在，称为无症状携带。产毒Cd在健康人群中的无症状定植流行率很高，与未定植的个体相比，无症状携带者的感染风险更高，并且可能是 Cd 感染传播的储存库，而然这背后的机制仍然模糊不清。更好地了解非炎症（稳态）与炎症（由毒素产生）条件下的 Cd 代谢行为将更好地为解决和预防疾病进展提供信息。 由于（1）在没有腹泻或疾病的情况下获取足够的人体样本，（2）人体微生物群中相对较低的Cd丰度，以及（3）通过实验控制体内毒素的产生这几点原因，在无症状携带期间对Cd的详细调查具有挑战性。
为了了解炎症与非炎症 Cd 感染 (CDI) 期间群落代谢的变化，研究人员检查了来自临床相关小鼠模型的宏转录组数据。腹泻患者提供粪便样本进行微生物群测序，根据症状和微生物成分，将样品分为健康类或菌群失调类。来自健康类患者的粪便样本的人源化小鼠对CDI不耐受，而来自菌落失调供体的粪便的人源化小鼠持续高水平的Cd和较高的炎症评分。研究人员比较了这些小鼠盲肠转录组中通路的表达情况，发现对 Cd 感染和炎症有抵抗力的小鼠表现出精氨酸和鸟氨酸代谢途径在群落范围内的表达增加，表明群落氨基酸代谢在增强宿主屏障功能方面具有潜力，并在Cd攻击时在保持肠道处于非炎症状态方面发挥作用。
CDI易感宿主的群体氨基酸代谢途径不同
接着，为了探究由Cd诱导的炎症引起的代谢变化与共生（非炎症）状态下Cd的存在之间的关系，研究人员采用了毒素拥有（WT）和毒素缺乏（Tox-）两种Cd菌株（630 和 R20291）在已知的共生微生物群落中的同基因突变。通过无菌小鼠中的 RNA 测序来区分炎症依赖性与非依赖性转录状态。发现编码氧化鸟氨酸降解的单个操纵子在无毒Cd菌株中始终上调，表明该途径支持非炎症肠道中的Cd代谢。以前没有研究过 Cd 中的鸟氨酸代谢，预测基于斯提柯兰氏反应的 l-鸟氨酸氧化降解产生 l-丙氨酸，通过乙酰辅酶 A 和氨产生ATP。虽然斯提柯兰氏反应通常发生在氨基酸对中，但其他梭菌可以利用鸟氨酸作为电子供体和受体。
假定的 l-鸟氨酸氧化降解位点在非炎症环境中 Cd 代谢的无菌模型中始终存在差异表达
随后，为了确定膳食鸟氨酸的可用性是否影响 Cd 代谢，研究人员比较了用 WT Cd 喂养标准啮齿动物饮食（含有鸟氨酸）或完全定义的缺乏鸟氨酸的饮食的小鼠的转录谱。氧化鸟氨酸降解基因座中的基因在饮食条件之间表达差异最大：当存在饮食鸟氨酸时，参与其氧化代谢的基因表达更高。研究人员使用WT 或鸟氨酸氧化降解（ΔoraSE）Cd感染常规微生物群定植的小鼠，发现补充膳食鸟氨酸可赋予 Cd 竞争优势，此外，膳食鸟氨酸有益于定植水平并降低宿主的炎症反应。
来自饮食的鸟氨酸代谢赋予 Cd 竞争优势并导致宿主炎症减少
在哺乳动物中，鸟氨酸在免疫代谢中起作用，精氨酸酶将精氨酸分解为鸟氨酸，鸟氨酸是多胺亚精胺、精胺和腐胺的前体。一氧化氮合酶还使用精氨酸作为底物，在活性氧爆发期间产生 NO−。
为了确定宿主诱导型一氧化氮合酶 (iNOS) 或精氨酸酶是否对 CDI 有反应，研究人员用标准抗生素预处理感染常规小鼠，然后用 WT Cd 感染。与未感染的抗生素处理的对照相比，感染了 WT Cd 的小鼠遭受显着更高的组织损伤和炎症细胞浸润。宿主 Nos2，但不是 Arg1，同时上调，表明在这些条件下可用于鸟氨酸生物合成的精氨酸较少。此外，与 iNOS+/+ 小鼠相比，iNOS-/- 粪便中鸟氨酸的浓度升高。而为了解开宿主 iNOS 和 Cd 氧化鸟氨酸途径之间的特定代谢相互作用，研究人员在完全定义的无鸟氨酸饮食中用等量的 WT 和 ΔoraSE Cd 共同感染 iNOS−/− 和 iNOS+/+ 小鼠，发现Cd 利用宿主衍生的鸟氨酸，WT Cd 在 iNOS-/- 但不是 iNOS+/+ 小鼠中胜过 ΔoraSE。因此，通过 iNOS 消融增加宿主鸟氨酸的产生导致 Cd 氧化鸟氨酸利用基因的表达增加，并为 WT Cd 提供了竞争优势。
通过宿主 iNOS 缺陷产生的鸟氨酸为肠腔中的 Cd 提供竞争优势
综上所述，该研究探究了在Cd 中的鸟氨酸代谢及其在体内的影响。证明了由于存在于饮食中的鸟氨酸或宿主产生的鸟氨酸，氧化降解鸟氨酸的能力赋予了Cd竞争优势。这项工作突出了肠道稳态条件下宿主免疫代谢和 Cd 之间的代谢串扰。了解病原体在没有疾病的情况下的持续存在是迈向预防性治疗策略的重要一步。
