腸道菌群對人體健康發揮著至關重要的作用，目前已有多項正在進行的臨床試驗旨在通過調控腸道菌群來治療各種疾病。然而，我們目前對於腸道益生菌如何成功在腸道中定植的因素和機製仍知之甚少。多形擬杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)是人類腸道中最豐富的共生益生菌之一，通常在瘦削和健康個體的腸道中存在。

        對腸道菌群的治療性調控對於人類健康具有巨大的潛力，因此，細菌在腸道中定植的機製為臨床幹預提供了有價值的靶點。

        2023年3月16日，耶魯大學醫學院的研究人員在 Science 上發表了題為：Bacteria require phase separation for fitness in the mammalian gut 的研究論文。

        該研究發現，細菌利用相分離來增強對哺乳動物腸道的適應性。與人類共生的益生菌多形擬杆菌在小鼠腸道中的適應性依賴於轉錄終止因子Rho的相分離。這項研究結果揭示了相分離對宿主-共生細菌相互作用至關重要，揭示了益生菌在腸道中定植的新機製，這一發現有助於促進新的益生菌療法的開發。

        細胞通過改變基因轉錄情況對環境信號做出反應。在革蘭氏陰性菌中，轉錄終止因子Rho是一種必要的RNA解旋酶，在執行調控決策時終止基因和操縱子末端以及mRNA的前導區轉錄。

        多形擬杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)的Rho蛋白不同尋常，因為它擁有一個大的、內在無序區域(IDR)，而在廣泛研究的細菌(例如大腸杆菌和沙門氏菌)則不存在。

        在這項最新研究中，研究團隊探索了內在無序區域(IDR)如何影響Rho蛋白的功能及其幫助多形擬杆菌在腸道中成功定植的能力。

        研究團隊設計了一個缺乏Rho IDR(ΔIDR)的多形擬杆菌，它們可在實驗室培養皿中培養，但在無菌小鼠的腸道中，它們很容易被被表達Rho的野生型多形擬杆菌所擊敗。

        值得注意的是，研究團隊在無菌小鼠中植入了13種複雜細菌群落(代表人類腸道菌群中主要細菌門類)，結果顯示，ΔIDR多形擬杆菌也被野生型多形擬杆菌擊敗而難以定植。這些結果表明了多形擬杆菌在哺乳動物腸道中的適應依賴於Rho IDR。

        內在無序區域(IDR)通常存在於RNA結合蛋白中，可通過液-液相分離(LLPS)驅動無膜細胞器的形成。野生型Rho在體外形成液滴取決於鹽和蛋白質濃度以及RNA的存在，而ΔIDR Rho即使在蛋白質濃度高20倍的情況下也不會形成液滴。免疫熒光實驗顯示，麵臨碳源饑餓的小鼠會出現Rho凝集，而ΔIDR多形擬杆菌在所有測試條件下，ΔIDR Rho在細菌細胞質中均勻分布而不凝集。因此，Rho在在體內和體外以IDR依賴的方式相分離。

        為了確定Rho IDR和相分離在Rho轉錄終止活性中所起的作用，研究團隊使用不同的模板、純化WT Rho和ΔIDR Rho，以及相分離和非相分離條件進行了體外轉錄終止實驗。在相分離條件下，野生型Rho比ΔIDR Rho更有效地終止轉錄。相比之下，野生型Rho和ΔIDR Rho在非相分離條件下表現出相似的終止效率。某些模板上的終止隻在相分離條件下發生，而其他模板上的終止在兩種條件下都發生。因此，將野生型Rho隔離到相分離區域中增加了Rho的轉錄終止活性，並且對於某些模板中的終止是必不可少的。

        為了確定Rho IDR在多形擬杆菌在腸道中發揮的基因調控作用，研究團隊對從小鼠盲腸中獲得的野生型和ΔIDR Rho多形擬杆菌進行了RNA-seq分析。該分析確定了數百個受IDR調控的細菌基因，包括腸道健康所需的幾個基因，例如那些負責獲取多形擬杆菌無法合成的特定維生素和/或指定參與中央細胞途徑的蛋白質，例如氨基酸和小分子的生物合成和蛋白質穩態。

        總的來說，該研究揭示了Rho相分離作為多形擬杆菌及其他潛在共生細菌用於在哺乳動物腸道中成功定植的分子機製。多形擬杆菌的轉錄終止因子Rho的內在無序區域(IDR)對於相分離是必要且充分的。此外，IDR對細菌基因的調控至關重要。這些研究結果結果揭示了相分離對宿主-共生細菌相互作用至關重要，並與新的臨床應用有關。

        研究團隊表示，相分離這種現象已經廣為人知，通常與植物、動物和真菌等真核生物的壓力應激有關。而最近我們意識到相分離也可以發生在細菌中，這項最新研究確定了發生在共生腸道細菌中的相分離，並確定了共生腸道細菌通過相分離促進在腸道中的生存。這些發現有助於促進開發腸道健康的新的益生菌療法。

        原始出處：

        EMILIA KRYPOTOU， et al.Bacteria require phase separation for fitness in the mammalian gut. SCIENCE， 16 Mar 2023， Vol 379， Issue 6637， pp. 1149-1156.