Nat Commun：揭示烟曲霉感染如何塑造人类肺部

在一项新的研究中，来自德国莱布尼茨天然产物研究与感染生物学研究所（Leibniz-HKI）的研究人员在使用机器学习模型分析了大约250种烟曲霉（Aspergillus fumigatus）菌株的基因组数据和40名患者的肺部微生物组（lung microbiome）数据后得出了以下结论：感染人类的烟曲霉菌株的代谢相比于环境中的其他菌株发生了显著变化；与此同时，感染这种真菌会导致人类肺部微生物组发生明显变化。相关研究结果近期发表在Nature Communications期刊上，论文标题为“Genome-scale metabolic modeling of Aspergillus fumigatus strains reveals growth dependencies on the lung microbiome”。

作为一种真菌，烟曲霉广泛分布于环境中，具有重要的生态功能。与此同时，它们也是人类的机会性病原体。这意味着它们可以感染免疫力低下的人群，并引发曲霉菌病（aspergillosis）等危及生命的疾病。由于治疗真菌感染的药物数量有限，治疗非常困难。

然而，这些作者发现，环境中发现的烟曲霉菌株与患者样本中的临床烟曲霉菌株存在很大差异。在之前的一项研究中，他们已发现，约 250 种不同来源的烟曲霉菌株的遗传信息只有约 70% 相吻合。相比之下，人类和猪的遗传信息大约有 95% 是相同的。

论文共同通讯作者、Leibniz-HKI微生物组动力学部门负责人Gianni Panagiotou说，“在这项新的研究中，我们重点研究了在复杂的肺部微生物组存在的情况下，这些基因组差异对真菌代谢的影响。了解在不同栖息地中推动烟曲霉真菌生长并进而使其存活的因素，可能会促进预防或治疗策略的开发，从而控制真菌病原体的水平。”

这些作者根据这些基因组数据和目前对代谢途径的了解，开发了计算机模型，预测250种不同烟曲霉菌株的代谢反应和产物。论文共同第一作者Mohammad Mirhakkak说，“在这样做的过程中，我们发现烟曲霉的临床菌株与环境菌株有很大不同，尤其是在氨基酸合成方面。”

通用重建工作流程和烟曲霉泛基因组代谢模型统计。图片来自Nature Communications, 2023, doi:10.1038/s41467-023-39982-5。

Mirhakkak和论文共同第一作者Xiuqiang Chen随后利用他们开发的这种计算机模型研究了40名囊性纤维化患者在确诊感染烟曲霉前后的样本。利用来自这些样本的宏基因组数据，他们能够破解了感染前后肺部微生物组的组成。换句话说，他们确定了生活在每位患者肺部中的微生物。

Chen解释说，“我们利用这些数据为我们的计算机模型提供信息，并发现烟曲霉似乎能塑造肺部微生物组，使其发挥优势。”即使这些作者模拟了所谓的烟曲霉基因敲除菌株---由于某些代谢途径被关闭而无法独立存活的烟曲霉菌株，它们也能在肺部微生物组的帮助下存活下来。至少在计算机模拟中，其他微生物接管了重要代谢物的产生。

Panagiotou说，“我们的研究结果表明，在开发新药时，我们一方面需要牢记烟曲霉代谢的巨大变化，另一方面也需要牢记整个肺部微生物组。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Mohammad H. Mirhakkak et al. Genome-scale metabolic modeling of Aspergillus fumigatus strains reveals growth dependencies on the lung microbiome. Nature Communications, 2023, doi:10.1038/s41467-023-39982-5.

2. Aspergillus fumigatus adapts to life in humans - and shapes their lung microbiome
https://www.leibniz-hki.de/en/press-release/a-fungus-gets-comfortable.html