人肠道真菌-细菌跨界代谢互作：白色念珠菌与粪肠球菌的柠檬酸-甲酸交叉喂养循环

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Shared metabolism between a bacterial and fungal species that reside in the human gut

本研究通过双RNA测序(dual RNA-seq)揭示了人肠道共生菌白色念珠菌(C. albicans)与粪肠球菌(E. faecalis)间的代谢互作机制。发现真菌通过上调柠檬酸合成酶(CIT1)分泌柠檬酸，细菌则激活cit操纵子分解柠檬酸产生甲酸(formate)，而真菌通过甲酸脱氢酶(FDHs)解毒，形成"柠檬酸-甲酸"跨界代谢循环。该发现为理解肠道微生态中真菌-细菌互作提供了分子基础。

　　

研究背景

人肠道微生物组是一个包含细菌、真菌等多物种的复杂生态系统。尽管真菌如白色念珠菌(Candida albicans)在健康成人肠道中仅占10¹-10³ CFU/g（远低于细菌的10¹¹-10¹² CFU/g），但其较大的生物量使其对肠道环境具有显著影响。白色念珠菌与革兰氏阳性菌粪肠球菌(Enterococcus faecalis)常在早产儿肠道和成人肠道菌群失调时共同增殖，并与侵袭性感染相关。

研究方法

研究采用双RNA测序技术，分别在体外（模拟肠道环境的低氧0.2% O₂条件）和无菌小鼠肠道中，对白色念珠菌和粪肠球菌的单培养及共培养体系进行转录组分析。通过构建基因缺失突变体（如?cit1、?citH/?citO、FDH三敲除株等），结合代谢物检测（柠檬酸、甲酸）和生长曲线分析，验证了RNA-seq发现的代谢互作通路。

主要发现

转录互作图谱

共培养导致白色念珠菌271个基因上调≥4倍（如CIT1上调12倍），370个基因下调≥4倍；粪肠球菌249个基因上调（如cit操纵子基因上调10-45倍）。39个基因在体内外实验中均被白色念珠菌上调，包括三个甲酸脱氢酶基因（FDH1、orf19.1117和orf19.1774，最高上调544倍）。

柠檬酸代谢循环

1. 1.

   真菌产柠檬酸：白色念珠菌在共培养时特异性上调TCA循环首酶CIT1（而非下游酶），同时分泌柠檬酸（?cit1突变体分泌量显著降低）。

2. 2.

   细菌耗柠檬酸：粪肠球菌激活cit操纵子（含转运蛋白CitH和调控因子CitO），完全降解培养基中的柠檬酸（?citH/?citO突变体丧失此能力）。

3. 3.

   生长优势：在低糖条件下，野生型粪肠球菌与白色念珠菌共培养时的菌落数比与?cit1真菌共培养时高2倍，证明真菌源性柠檬酸促进细菌生长。

甲酸解毒机制

1. 1.

   代谢副产物：粪肠球菌分解柠檬酸时通过丙酮酸甲酸裂解酶(PflA/PflB)产生甲酸（0.85 g/L），?pflA/?pflB突变体不产甲酸。

2. 2.

   真菌防御：甲酸诱导白色念珠菌FDHs表达，FDH三敲除株在含甲酸培养基或细菌条件培养基中生长显著受损，证实FDHs对甲酸解毒的关键作用。

生物学意义

该研究揭示了一个精妙的跨界代谢循环：

1. 1.

   协同面：白色念珠菌通过"糖耗尽→CIT1上调→柠檬酸分泌"支持粪肠球菌生长；

2. 2.

   拮抗面：细菌产生的甲酸被真菌FDHs解毒，形成代谢平衡。这种互作可能在肠道菌群失调时加剧两菌的共增殖，增加侵袭性感染风险。

研究创新性

首次在分子水平阐明肠道真菌-细菌的代谢对话：

• •

  发现白色念珠菌可充当"柠檬酸生产者"的角色

• •

  揭示FDHs在真菌抵抗细菌代谢攻击中的核心作用

• •

  为开发针对跨界代谢通路的抗感染策略提供新靶点

应用前景

该机制可能解释临床观察到的白色念珠菌-粪肠球菌共定植现象，并为预防早产儿坏死性小肠结肠炎(NEC)等疾病提供干预思路。未来研究可拓展至其他产柠檬酸真菌（如光滑念珠菌）与肠道细菌的互作网络。