沙门氏菌通过产硫化氢抑制大肠杆菌细胞色素bd氧化酶介导的有氧呼吸以突破肠道定植抗性

本研究揭示沙门氏菌（Salmonella）通过PhsABC和AsrABC系统产生硫化氢（H2S），在肠道炎症微环境中抑制大肠杆菌（Escherichia coli）的细胞色素bd氧化酶（cytochrome bd oxidase）活性，从而削弱其有氧呼吸能力并获得生长优势。该发现阐明了沙门氏菌利用硫化氢作为竞争策略以突破 microbiota介导的定植抵抗（colonization resistance）的分子机制，为理解肠道病原体与共生菌的互作提供了新视角。

　　

沙门氏菌通过产硫化氢抑制大肠杆菌有氧呼吸以突破肠道定植抗性

引言

沙门氏菌（Salmonella）是一类重要的肠道病原菌，其与共生菌如大肠杆菌（Escherichia coli）的竞争关系对肠道定植抗性（colonization resistance）的维持至关重要。沙门氏菌能够产生硫化氢（H₂S），这一特性被用于其与大肠杆菌的鉴别诊断已近一个世纪，但其生物学意义长期未明。本研究通过体内外实验系统阐明了沙门氏菌产硫化氢的竞争机制及其在肠道感染中的生态学意义。

沙门氏菌感染不促进大肠杆菌有氧呼吸

沙门氏菌通过III型分泌系统（T3SS-1和T3SS-2）诱导肠道炎症，增加肠道内氧气扩散，从而促进自身有氧呼吸。然而，在感染沙门氏菌野生型（WT）的小鼠中，大肠杆菌细胞色素bd氧化酶（由cydA编码）介导的有氧呼吸并未增强，反而受到抑制。这一现象提示沙门氏菌可能通过某种机制阻断大肠杆菌利用氧气的能力。

沙门氏菌感染诱导回肠胆汁酸吸收障碍

沙门氏菌感染可引起回肠派伊尔结（Peyer’s patches）炎症，导致胆汁酸吸收功能受损。实验显示，感染沙门氏菌WT的小鼠回肠上皮细胞内胆汁酸浓度显著降低，同时胆汁酸负反馈调节关键因子FGF15的血清水平下降。这表明沙门氏菌感染通过扰乱胆汁酸代谢稳态，间接影响肠道微环境。

沙门氏菌促进Deltaproteobacteria增殖不依赖胆汁酸

尽管沙门氏菌感染降低了盲肠内容物中的胆汁酸浓度，但Deltaproteobacteria（一类产硫化氢的严格厌氧菌）的相对丰度显著上升。这一现象与既往认知不同，提示沙门氏菌可能通过其他机制促进Deltaproteobacteria的增殖。

硫化氢产生链接沙门氏菌与Deltaproteobacteria扩张

沙门氏菌通过ttrABC、phsABC和asrABC三个操纵子介导硫代谢途径，依次将四硫酸盐（S₄O₆^2?）还原为硫代硫酸盐（S₂O₃^2?）、亚硫酸盐（SO₃^2?）和硫化氢（H₂S）。基因敲除实验表明，仅当同时缺失phsA和asrA（即完全丧失产硫化氢能力）时，沙门氏菌无法诱导Deltaproteobacteria的扩张。这说明硫化氢本身是促进Deltaproteobacteria增殖的关键因素。

沙门氏菌产硫化氢抑制大肠杆菌cydA介导的生长

在感染沙门氏菌产硫化氢缺陷株（phsA asrA突变体）的小鼠中，大肠杆菌通过cydA介导的有氧呼吸获得显著生长优势；而在感染野生型沙门氏菌的小鼠中，这一优势被显著抑制。体外实验进一步证实，添加硫化氢供体NaHS可直接抑制大肠杆菌cydA突变体的竞争指数（CI）。此外，沙门氏菌产硫化氢仅在与大肠杆菌共存在时才表现出生长优势，凸显其作为竞争策略的特异性。

Deltaproteobacteria是沙门氏菌抑制大肠杆菌有氧呼吸的必要条件

体外共培养实验发现，沙门氏菌单独存在时无法抑制大肠杆菌的有氧呼吸，但加入Deltaproteobacteria代表菌株Desulfovibrio piger后，野生型沙门氏菌（而非phsA asrA突变体）可显著抑制大肠杆菌cydA的活性。在定植人源梭菌（Clostridia）联合D. piger的无菌小鼠模型中，沙门氏菌产硫化氢能力同样为抑制大肠杆菌有氧呼吸所必需。这表明沙门氏菌与Deltaproteobacteria存在协同作用，共同提高硫化氢浓度至抑制阈值。

讨论

本研究揭示沙门氏菌通过PhsABC和AsrABC系统产生硫化氢，在炎症肠道微环境中抑制邻近物种（如大肠杆菌）的细胞色素bd氧化酶活性，从而削弱其有氧呼吸能力并获得竞争优势。这一机制依赖于Deltaproteobacteria的共存，提示微生物群落互作在病原体定植中的重要性。沙门氏菌产硫化氢的生物学意义得以阐明：它不仅是分类学标志，更是其突破肠道定植抗性的“商业策略”（business plan），为理解肠道病原体生态适应提供了新范式。

材料与方法

研究采用CBA/J小鼠（无内生Enterobacterales）和无菌瑞士韦伯斯特小鼠，通过口服灌胃接种细菌。使用定量PCR、ELISA、LC-MS等技术分析基因表达、炎症指标、胆汁酸浓度及微生物丰度。体外实验通过添加NaHS或D. piger验证硫化氢的抑制作用。统计学分析采用对数转换后的t检验或ANOVA。

结论

沙门氏菌通过产硫化氢抑制大肠杆菌有氧呼吸，是其突破肠道定植抗性的关键机制。这一发现不仅解释了沙门氏菌硫化氢阳性表型的进化意义，也为靶向微生物互作的抗感染策略提供了新思路。