Cell | 對錶皮葡萄球菌進化及功能進行高精度剖析

人葡萄球菌是什麼

責編 | 兮

人類面板的表面積大約1。5平方米，擁有乾性、油性、溼性等多種環境條件，且無時不刻受到各類外部刺激。人的面板上定居著大量的細菌，即便是同一種（species）細菌，也會在這複雜而動態的生態環境中演化出多樣的菌株（strain）。這些菌株適應各類不同的表皮環境，並且和宿主的關係不盡相同——有些菌株可能具有致病性，有些則對人體有益。對菌株多型性的分析需要大量高精度的資料，是現下微生物組學的熱點和難點。

2020年1月30日，美國傑克遜實驗室的

Julia Oh

研究團隊（第一作者為

周圍

博士）在

Cell

上發表文章

Host-Specific Evolutionary and Transmission Dynamics Shape the Functional Diversification of Staphylococcus epidermidis in Human Skin

，

結合了高效菌落測序與宏基因組測序資料，對錶皮葡萄球菌

（Staphylococcus epidermids

）在人體上的演化，轉移，以及臨床相關的功能做了詳盡的分析。

表皮葡萄球菌存在於幾乎所有健康人的體表，從臉部、手腳到軀幹，甚至鼻道，都能發現它們的蹤跡。它們幫助宿主的免疫系統發育成熟，也能抑制一些病原菌（比如金黃色葡萄球菌）的生長，是健康面板菌群的重要成員。然而表皮葡萄球菌的一些菌株經常伴隨植入性醫療器械進入體內，造成感染，是一種機會致病菌。由於這種兩面性，表皮葡萄球菌在體表的演化過程非常受人關注。Julia Oh團隊從5個健康人身上的16個面板部位分離出大約1500個表皮葡萄球菌的菌落，並一一加以全基因組測序。透過序列比對，他們發現每個人的面板上都包含多種外源菌株。這些菌株在表皮定植後，不斷演化並能在面板各個部位間傳播。每個人體表的細菌傳播途徑都有所不同，但是在臉部和手部間的傳播相對較多，而足部細菌則呈現與其他種群隔離的狀態。這種隔離導致足部的表皮葡萄球菌自成一系，含有大量目前難以預測功能的基因。

圖1。 表皮葡萄球菌在面板部位間傳播的統計學預測

表皮葡萄球菌在體表的傳播與其致病性很可能有關聯。表皮葡萄球菌的治病能力部分依賴於族群的群體感應（quorum sensing）：當族群密度高時，群體感應系統便會上調錶皮葡萄球菌中一系列致病基因的表達。而之前的研究發現，表皮葡萄球菌的群體感應基因簇分為三種序列形態，不同形態的群體感應系統會互相抑制。也就是說，當一個族群中含有多種序列形態的群體感應系統時，即便族群密度夠高，致病基因的表達也會保持較低的水平。Julia Oh團隊發現，由於表皮葡萄球菌會在體表各個部位間的傳播，因此各部位的族群中經常含有不止一種序列形態的群體感應系統。透過體外實驗證明，這種序列形態的混合的確能抑制致病基因表達，同時還調控了細菌多方面的代謝能力。

這部分實驗首次提出了細菌在宿主體表的傳播會影響其致病性的假說。

細菌耐藥性是臨床方面的另一個關注要點。從進化機制上說，耐藥性基因通常藉由水平基因轉移（horizontal gene transfer）在菌群內傳播，例如由質粒或噬菌體為載體，從一個細菌傳播到其他細菌。利用比較基因組學方法，Julia Oh團隊發現5位健康人的表皮葡萄球菌族群中，水平基因轉移非常常見。同時，轉移的載體-例如噬菌體和質粒-則因人而異。換句話說，每個健康人的面板細菌都在交換著不同的功能基因，造成個性化（personalized）的功能進化。有趣的是，足部的表皮葡萄球菌所持有的質粒和噬菌體與其他面板部位的菌株完全不同，進一步

證明了足部菌群的特殊性。

圖2。 每個健康人表皮葡萄球菌的耐藥性各不相同

面板細菌間的橫向基因轉移促成了抗生素基因在體表的傳播。Julia Oh團隊發現，由於每個健康人面板菌群中的質粒和噬菌體不同，每個健康人的表皮葡萄球菌也帶有不同的耐藥性。在一位健康人的身上還發現了一株對至少六種抗生素均有耐藥性的表皮葡萄球菌，說明

即便在健康人中，多耐藥性細菌也同樣存在。

最後，團隊利用計算機學習的方法探索了面板菌群結構與表皮葡萄球菌菌株基因進化的關係，發現群落水平的菌群結構與菌株水平的基因差異顯著相關。並且，與群落菌群結構相關性最強的基因，大多聚集在質粒上。這暗示著

表皮葡萄球菌棲息地的微生物環境或許會影響參與水平轉移的功能基因。

這個假說將是Julia Oh團隊的下一個研究目標。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.01.006