Cell：脂肪酸通过影响阴道菌群组成改善女性生殖健康
来源：生物探索 2024-08-31 10:51
本研究不仅揭示了FGT菌群中乳酸菌的代谢差异及其机制，还提出了一种新的代谢靶向干预策略，有望改善女性生殖道菌群稳态和生殖健康。
女性生殖道（FGT）菌群紊乱及其导致的细菌性阴道疾病（BV）与一系列系统性病变密切相关，包括早产、不孕、宫颈癌以及性传播感染等，全球有多达58%的女性受BV困扰【1-3】。BV的临床表现包括分泌物增多、异味和黏膜炎症；而其FGT菌群特征表现为有益乳酸菌减少和多种厌氧菌的过度繁殖。相反，健康的FGT菌群通常由单一的乳酸菌主导，最常见的是L. crispatus。然而，由另一种乳酸菌L. iners所主导的FGT菌群会导致BV的发生【4】。
尽管甲硝唑（MTZ）是治疗BV最常用的药物，但超过50%的患者在治疗后一年内会发生复发，BV频繁复发的一个潜在原因在于MTZ会导致FGT菌群由L. crispatus优势菌群转变为L. iners优势菌群【5】。目前尚无通过选择性抑制L. iners或促进L. crispatus生长，从而改变FGT主导菌群的方法。然而，L. iners相比其他FGT乳酸菌，基因组较小且代谢能力较弱，这表明通过靶向乳酸菌的代谢差异可能会达到抑制L. iners或促进L. crispatus生长的效果，从而改善FGT菌群稳态【6】。
哺乳动物黏膜表面富含长链脂肪酸（LCFAs），这些脂肪酸不仅是重要的营养物质，也是细菌细胞膜的组成成分【7】。某些不饱和长链脂肪酸（uLCFAs）对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）具有抗菌活性，然而uLCFAs对FGT乳酸菌的影响尚不清楚，靶向uLCFA代谢是潜在的用于改善FGT菌群稳态的干预策略。
2024年8月19日，哈佛大学Douglas S. Kwon实验室、Seth M. Bloom实验室和麻省理工学院Paul C. Blainey实验室等合作在Cell杂志发表了文章 Vaginal Lactobacillus fatty acid response mechanisms reveal a metabolite-targeted strategy for bacterial vaginosis treatment，通过探究uLCFAs（如油酸）对FGT乳酸菌的影响，作者发现油酸不仅可以选择性地抑制L. iners和一些BV致病菌的生长，还能促进有益的非L. iners 乳酸菌在FGT中的富集。作者进一步确定了乳酸菌中被油酸诱导的核心基因，包括ohyA和farE，并证明了它们在油酸抗性和代谢中的作用。本研究不仅有助于理解乳酸菌在复杂微生物群落中的竞争机制，还为BV的代谢性治疗策略提供了新的思路。
作者首先检测了顺-9-不饱和长链脂肪酸（cis-9-uLCFA）对FGT乳酸菌的影响，发现cis-9-uLCFAs（如油酸、亚油酸和棕榈油酸）能够强效抑制L. iners的生长，L. iners的生长对油酸敏感，而其他乳酸菌对油酸具有抗性。此外，油酸对L. iners具有杀菌效果，表现为诱导胞内ATP的释放和细胞膜破坏。相比之下，油酸显著促进了非L. iners乳酸菌的生长，进一步暗示了uLCFAs能够改善FGT的乳酸菌生态。
接下来作者探究了乳酸菌对uLCFA反应差异性的分子机制。作者发现uLCFA处理会诱导3种有益乳酸菌的油酸水解酶（ohyA）、脂肪酸外排泵（farE）及其调节因子tetR等的编码基因表达上升。然而，ohyA和farE基因在L. iners中完全缺失，这也解释了为何L. iners会对油酸等uLCFA敏感。相比之下，L. iners虽然缺乏这些核心的脂肪酸响应基因，但仍保留其他与脂肪酸相关的代谢途径。因此，uLCFA处理所导致的不同FGT乳酸菌的差异性响应和生长表型，受到ohyA和farE基因的调控。进一步解析ohyA和farE基因在FGT乳酸菌中的复杂进化历史后，作者发现大多数乳酸菌种都拥有ohyA和farE基因，表明这些基因在应对uLCFA影响时作用非常保守。然而，唯独L. iners缺失了这些基因，这可能影响其对油酸的适应性。
为验证不同乳酸菌中OhyA同源物的酶活性，作者在OhyA缺陷型金黄色葡萄球菌中异源表达了不同的乳酸菌来源的OhyA，并分析了这些同源物在乳酸菌中的功能差异。实验结果显示，不同乳酸菌的OhyA同源物具有相关但不同的酶活性，而L. iners和多种BV相关的非乳酸菌菌株缺乏OhyA活性，这进一步证明了不同的乳酸菌在应对油酸等uLCFA的响应差异取决于OhyA的酶活性。此外，利用宫颈阴道冲洗液样本分析了体内状态下乳酸菌OhyA酶的生理活性后，作者发现宫颈阴道液中的OhyA酶的催化产物浓度随着非L. iners乳酸菌丰度的变化而变化。因此，FGT群落中乳酸菌表达的OhyA能够诱导uLCFA的分解，具有明显的生理催化活性。
通过遗传学手段解析乳酸菌ohyA和farE基因的功能后，作者发现OhyA基因与催化油酸产生10-羟基硬脂酸（10-HSA）的反应相关，但farE基因同样对于乳酸菌的油酸抗性至关重要。这两个基因在乳酸菌的脂肪酸代谢中分别发挥了不同的保护作用：farE基因通过外排过量的脂肪酸而防止脂毒性积累，而ohyA基因则将特定的脂肪酸转化为其对应的羟基脂肪酸，帮助脂肪酸分解。
此外，作者发现女性生殖道中的主要乳酸菌菌种大多缺乏完整的脂肪酸合成途径，因此它们需要外源性LCFAs来构建细胞膜。然而，只有携带farE基因的乳酸菌能够抵抗并利用高浓度的游离油酸，表明这些乳酸菌在利用外部脂肪酸进行细胞架构的较强适应性。另一方面，非L. iners的FGT乳酸菌能够通过OhyA酶将10-HSA转化为油酸，用于磷脂合成，从而在脂质缺乏的环境中获得生长优势。因此，ohyA和farE基因通过促进脂肪酸代谢和利用，使有益乳酸菌能够在阴道环境中占据竞争优势。
为了进一步明确油酸在FGT菌群中的作用，作者表征了油酸对不同的非乳酸菌FGT菌群的影响，发现油酸对多种BV致病性非乳酸菌具有显著的抑制作用，尤其是对MTZ耐药的菌种。不仅如此，油酸和10-HSA在体外模型中（尤其是与MTZ联用）具有将阴道主导菌群转变为L. crispatus的潜力，油酸不仅能够抑制L. iners和大多数BV致病菌种的生长，还能够持久地维持L. crispatus的富集，改善FGT菌群的组成结构。
模式图（Credit: Cell）
综上所述，通过探究不饱和长链脂肪酸（如油酸）对女性生殖道乳酸菌的影响，作者发现不饱和长链脂肪酸能选择性抑制L. iners，同时显著促进其他非L. iners有益乳酸菌的生长。通过转录组和基因组分析，研究确定了由油酸上调的关键基因farE（脂肪酸外排泵）和ohyA（油酸水解酶）在非L. iners乳酸菌中保守存在，但在L. iners中缺失，farE对于乳酸菌的脂肪酸外排至关重要，而ohyA则有助于非L. iners乳酸菌利用油酸合成磷脂。本研究不仅揭示了FGT菌群中乳酸菌的代谢差异及其机制，还提出了一种新的代谢靶向干预策略，有望改善女性生殖道菌群稳态和生殖健康。
参考文献：
1. Mitra, A., et al. (2020). The vaginal microbiota associates with the regression of untreated cervical intraepi- thelial neoplasia 2 lesions. Nat. Commun. 11, 1999.
2. Usyk, M., et al. (2020). Cervicovaginal microbiome and natural history of HPV in a longitudinal study. PLoS Pathog. 16, e1008376.
3. Kenyon, C., et al. (2013). The global epidemiology of bacterial vaginosis: a systematic review. Am. J. Obstet. Gynecol. 209, 505–523.
4. Gosmann, et al. (2017). Lactobacillus-deficient cervicovaginal bacterial communities are associated with increased HIV acquisition in young South African women. Immunity 46, 29–37.
5. Verwijs, M.C., et al. (2020). Impact of oral metronidazole treatment on the vaginal microbiota and correlates of treatment failure. Am. J. Obstet. Gynecol. 222, 157.e1– 157.e13.
6. Macklaim, J.M., et al. (2013). Comparative meta-RNA-seq of the vaginal microbiota and differential expression by Lactobacillus iners in health and dysbiosis. Microbiome 1, 12.
7. Kengmo Tchoupa, A., et al. (2022). Bacterial adaptation strategies to host-derived fatty acids. Trends Microbiol. 30, 241–253.
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