氨基酸可用性以菌株和群落特异性方式影响金黄色葡萄球菌与鼻腔微生物群的互作

《Microbiome》：Amino acid availability influences Staphylococcus aureus interaction with the nasal microbiota in a strain- and community-specific manner

　　

背景：仅部分个体鼻内携带金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus），使其易发生内源性感染。尽管已知微生物间的合作与竞争可塑造环境和肠道微生物群落，但其对鼻腔微生物组内病原体定殖的影响在很大程度上尚不清楚。结果：研究人员利用新构建的鼻腔菌株库和系统性成对互作分析，研究了多种S. aureus菌株与鼻腔群落之间的竞争和协作特征。实验表明，鼻腔物种在体外及悉生小鼠（gnotobiotic mice）中均以菌株和群落特异性方式强烈调节S. aureus的生长。营养依赖性互作成为关键驱动因素。例如，研究人员发现由合成群落提供的酪氨酸可支持一株营养缺陷型（auxotrophic）S. aureus菌株的增殖。对大量S. aureus菌株的筛查显示，8%的菌株存在酪氨酸依赖性，且在缺乏支持性群落时其定殖受损，表明该互作具有更广泛的相关性。结论：研究结果揭示了S. aureus独特的代谢适应机制，使其能够利用常驻鼻腔群落的特定特征，突出了影响人类鼻腔定殖的复杂种间网络。这些见解可能为通过微生物组编辑策略将S. aureus从鼻腔生态位中置换提供依据。视频摘要。

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）是人类鼻腔中最常见的机会性病原体之一，约三分之一人群持续携带，显著增加内源性感染风险。既往研究多聚焦于物种水平上鼻腔微生物对S. aureus的抑制作用，如抗菌物质和营养竞争，但菌株特异性、群落特异性以及营养匮乏条件下协作性互作如何影响S. aureus定殖仍不清楚。为此，研究人员从11名健康成人的鼻腔样本中建立菌株库LaCa，通过成对互作分析、合成群落（SynComs）体外培养、悉生小鼠定殖模型、靶向代谢组学及大规模菌株筛查，系统解析了S. aureus与鼻腔微生物之间的互作模式及其营养基础。研究发现，S. aureus与鼻腔群落的互作高度依赖菌株和群落特定特征，其中氨基酸可用性尤其是酪氨酸的供给是关键驱动因素。这些发现揭示了复杂种间营养网络对鼻腔定殖的影响，为未来通过微生物组编辑策略将S. aureus从鼻腔生态位中置换提供了新思路。该研究论文发表在《Microbiome》。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：招募11名健康成人（A–K）获取鼻腔拭子，结合16S rRNA基因扩增测序和培养组学建立鼻腔菌株库LaCa，包含119株独特菌株（33个物种）。利用基于合成鼻腔培养基（SNM）的琼脂成对互作分析，构建反映志愿者鼻腔微生态的五个合成群落（SynComs），并在体外和悉生小鼠中进行定殖实验。采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）靶向代谢组学分析群落代谢产物，结合全基因组测序及基因突变/回补鉴定功能基因，并使用高通量菌落复制器对512株人源S. aureus进行营养缺陷型筛选。

研究结果如下：

建立鼻腔菌株库LaCa：通过16S rRNA基因测序和培养组学，研究人员从11名志愿者共获得228株分离物，最终鉴定为119株独特菌株，覆盖33个物种，包括Corynebacterium accolens、Cutibacterium acnes、Staphylococcus epidermidis、Corynebacterium propinquum和S. aureus等优势菌。多数优势物种可培养，但部分严格厌氧菌及个别低丰度物种未分离成功。

鼻腔群落呈现不同互作网络：对来自5个代表性鼻腔群落（A、B、C、J、K）的菌株进行452对成对互作分析（其中186对可评估），发现每个群落的互作网络均独特，偏利共生（commensalism）最为常见，而竞争和拮抗比例较低。所有检测中均未观察到抑菌圈，提示在该实验条件下可扩散抗菌物质并非主要介导因素。

S. aureus与鼻腔物种的互作呈菌株和群落特异性：在群落A中，菌株Sa A的生长受多数成员促进；而Sa B和Sa C则分别受抑制或不受影响。将不同S. aureus菌株加入五个SynCom后，其增殖能力因菌株和群落组合而异，SynCom J和K普遍促进所有测试菌株，SynCom C则表现出最强抑制。上清液实验排除抗菌物质的主导作用，表明营养消耗或释放是关键。悉生小鼠中，SynCom A和B维持Sa A的鼻腔定殖，而SynCom C使其降低约两个数量级。

群落对鼻腔环境氨基酸组成的影响不同：对SynCom培养物代谢组学分析显示，各群落显著改变SNM中的氨基酸谱。SynCom K释放氨基酸总量最高，而SynCom C的芳香族氨基酸（酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸）浓度最低，可能对S. aureus施加营养压力。

酪氨酸营养缺陷影响S. aureus A在群落产物中的增殖：Sa A在SNM中表现出生长缺陷，补充酪氨酸可剂量依赖性恢复其生长。全基因组测序发现其tyrA基因存在移码突变（第817/1093位插入T），修复该突变后Sa A在SNM中的生长恢复正常。将SynCom A与Sa A共培养时，若tyrA功能恢复则促进效应消失，证明该突变是导致群落依赖性的原因。在Newman和USA300 JE2背景中引入ΔtyrA突变同样诱导酪氨酸营养缺陷，证实tyrA是酪氨酸生物合成的关键基因。

酪氨酸营养缺陷菌株在酪氨酸存在时具有适应性优势：在transwell共培养体系中，当培养基添加酪氨酸时，tyrA缺陷株（Sa A WT、Newman ΔtyrA、JE2 ΔtyrA）在单培养或与野生型竞争时均达到更高细胞密度，表明营养缺陷可减少代谢负担，在氨基酸外源供应条件下提供选择性优势。

鼻腔S. aureus菌株呈现多种氨基酸需求：对512株人源S. aureus进行SNM生长筛查，8.2%的菌株无法在基础SNM上增殖，其中5株可由酪氨酸单独恢复生长，另有3株需六种缺失氨基酸全部添加才能生长。此外，9.2%的菌株虽能在SNM生长，但其增殖显著受酪氨酸或六种氨基酸混合物刺激。总计10.7%的菌株表现出氨基酸依赖性，且鼻源菌株与感染源菌株中的比例相似，提示该现象在人类定殖和感染中可能具有普遍性。

酪氨酸营养缺陷影响体内鼻腔定殖：在悉生小鼠模型中，单独鼻腔定殖时，野生型Newman（tyrA+）的菌量中位数达到10⁵ CFU/g鼻组织，而ΔtyrA突变体表现出更大个体差异。当与SynCom A、B或C共定殖时，ΔtyrA突变体反而显著高于野生型，其中SynCom A效果最强（约180倍），SynCom C最弱（约15倍）。该结果说明鼻腔群落的存在改变了酪氨酸可用性，并为营养缺陷型S. aureus提供了竞争优势。

总结讨论部分：研究人员指出，鼻腔微生物互作中偏利共生占主导，与肠道和土壤中竞争为主的模式不同，这反映了鼻腔营养匮乏的环境特征。菌株特异性互作可能源于同一鼻腔内菌株间的共同适应，而酪氨酸营养缺陷型的出现符合生态学中的“黑皇后”假说，即适应性基因丢失可强化菌株间的代谢依赖。研究还讨论了模型的局限性，包括悉生小鼠鼻定殖模型的成熟度、Newman菌株高毒力可能掩盖部分营养效应，以及体内还存在铁载体竞争、黏附竞争、免疫调节和直接抗菌等额外因素。未来需结合更大规模队列和纵向采样进一步验证。

翻译研究结论：综上所述，本研究表明S. aureus定殖鼻腔生态系统并与其细菌成员互作的能力高度依赖于群落和菌株特异性特征。通过将基于群落的互作分析与代谢谱分析相结合，研究人员为影响鼻腔群落中细菌动态的营养互作提供了新见解。其中，氨基酸的提供是促进特定S. aureus菌株在鼻腔微生物环境中生长的因素之一。然而，仍需要更大规模、更多样化的队列研究来进一步理解并控制S. aureus在人类鼻腔中的持续存在。