Epithelial-Derived Reactive Oxygen Species Enable AppBCX-Mediated Aerobic Respiration of Escherichia coli during Intestinal Inflammation

上皮衍生的活性氧能夠在腸道炎癥期間實(shí)現(xiàn) AppBCX 介導(dǎo)的大腸桿菌有氧呼吸

來(lái)源：Chanin et al., 2020, Cell Host & Microbe 28, 780–788

 

1. 論文摘要核心內(nèi)容

 

研究發(fā)現(xiàn)腸道炎癥期間，上皮細(xì)胞產(chǎn)生的活性氧（ROS）可被大腸桿菌（E. coli）的AppBCX酶系統(tǒng)利用：

 

核心機(jī)制：宿主NADPH氧化酶1（NOX1）產(chǎn)生的ROS（如H?O?）被大腸桿菌過(guò)氧化氫酶（KatE/KatG）降解為氧氣，進(jìn)而支持AppBCX介導(dǎo)的有氧呼吸（圖2A）。

 

 

生理意義：在化學(xué)性結(jié)腸炎（DSS模型）和遺傳性結(jié)腸炎（IL-10?/?模型）中，AppBCX賦予大腸桿菌生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)（圖1E, 4E），而這一優(yōu)勢(shì)在NOX1缺陷小鼠中消失（圖2B-C）。

 

 

 

創(chuàng)新點(diǎn)：揭示了宿主免疫反應(yīng)（ROS釋放）意外促進(jìn)病原體生長(zhǎng)的“悖論”，為炎癥性腸病（IBD）中菌群失調(diào)提供了新解釋。

 

2. 研究目的

 

探究炎癥環(huán)境下宿主ROS如何重塑腸道微生物代謝，重點(diǎn)驗(yàn)證：

 

宿主上皮細(xì)胞產(chǎn)生的ROS是否通過(guò)轉(zhuǎn)化為氧氣，支持大腸桿菌的AppBCX依賴(lài)性有氧呼吸？

 

旨在闡明炎癥相關(guān)菌群失調(diào)（如Enterobacteriaceae富集）的代謝基礎(chǔ)。

3. 研究思路

 

1.模型構(gòu)建：

 

體內(nèi)：

 

DSS結(jié)腸炎模型：野生型（WT）與NOX1缺陷小鼠（圖2B-C）。

 

遺傳模型：IL-10?/?小鼠加速結(jié)腸炎（圖4）。

 

體外：模擬腸道環(huán)境的黏蛋白培養(yǎng)基（Mucin Broth），調(diào)控氧氣與H?O?水平（圖3）。

 

2.細(xì)菌基因操作：

 

構(gòu)建大腸桿菌（EcN、MP1菌株）的appC、katE、katG單/雙/三基因敲除突變體（圖1A, 圖3D-E）。

3.競(jìng)爭(zhēng)性定植實(shí)驗(yàn)：

 

野生型與突變株1:1混合接種小鼠，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)（CI） 量化生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)（圖1E, 2B-E）。

4.機(jī)制驗(yàn)證：

 

檢測(cè)ROS來(lái)源（上皮NOX1依賴(lài)，圖2）、氧氣生成（過(guò)氧化氫酶依賴(lài)，圖3E）、呼吸鏈調(diào)控（ArcAB通路，圖3C）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) AppBCX在炎癥腸道中的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)（圖1E, 圖4E）

 

數(shù)據(jù)：

 

DSS結(jié)腸炎模型中，野生型EcN的CI顯著高于appC突變體（WT小鼠：↑3倍；NOX1缺陷鼠：無(wú)差異）。

 

IL-10?/?結(jié)腸炎模型中，MP1野生型CI高于appBC突變體（↑2.5倍）。

 

意義：首次證明AppBCX是炎癥環(huán)境下大腸桿菌生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子。

 

(2) 上皮NOX1是ROS來(lái)源（圖2B-C）

 

數(shù)據(jù)：

 

NOX1缺陷鼠（Nox1?/?）或上皮特異性NOXA1缺陷鼠（Noxa1????）中，AppBCX的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)消失（CI≈1）。

 

意義：宿主上皮ROS直接驅(qū)動(dòng)大腸桿菌的呼吸代謝重塑。

 

(3) H?O?→O?轉(zhuǎn)化支持呼吸（圖3）

 

數(shù)據(jù)：

 

體外添加H?O?（5–15 μM）增強(qiáng)野生型EcN生長(zhǎng)（CI↑），但需過(guò)氧化氫酶（katE/katG）參與（圖3E）。

 

katE katG雙突變體喪失AppBCX優(yōu)勢(shì)（體內(nèi)圖2D，體外圖3E）。

 

意義：ROS解毒為氧氣是AppBCX呼吸的底物來(lái)源。

 

(4) 呼吸鏈調(diào)控依賴(lài)ArcAB（圖3C-D）

 

數(shù)據(jù)：

 

H?O?+硝酸鹽協(xié)同誘導(dǎo)appC轉(zhuǎn)錄（↑4倍），而cydA不變（圖3C）。

 

硝酸還原酶突變（nar）消除AppBCX優(yōu)勢(shì)（圖3D）。

 

意義：呼吸鏈感應(yīng)系統(tǒng)（ArcAB）整合氧化應(yīng)激與電子受體信號(hào)。

 

5. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義

(1) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)與方法

 

設(shè)備：Clark型氧傳感器（Unisense OX-N-14839）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)基溶解氧（方法部分）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

 

圖3A：厭氧培養(yǎng)48小時(shí)后，不同容器（微管vs燒瓶）的氧氣殘留量（微管：1.5% O?；燒瓶：0.2% O?）。

 

質(zhì)量控制：通過(guò)預(yù)孵育調(diào)控初始氧濃度，模擬腸道缺氧環(huán)境。

 

(2) 科學(xué)價(jià)值

 

1.揭示物理約束影響氧氣可用性：

 

微管（低表面積/體積比）保留更多氧氣→支持殘留呼吸（圖3B）。

 

燒瓶（高表面積/體積比）氧氣接近零→嚴(yán)格厭氧（圖3E）。

2.驗(yàn)證H?O?→O?轉(zhuǎn)化假說(shuō)：

 

在超低氧環(huán)境（0.2% O?）中，添加H?O?仍能激活A(yù)ppBCX（圖3E），排除殘留氧氣干擾，確證H?O?降解為O?是關(guān)鍵步驟。

3.量化“氧氣窗口”：

 

明確0.2–1.5% O?濃度范圍足以觸發(fā)AppBCX呼吸，為體內(nèi)研究提供參考閾值。

 

(3) 研究意義

 

不可替代性：傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)納摩爾級(jí)氧氣變化，Unisense電極是鏈接宿主ROS與細(xì)菌呼吸代謝的關(guān)鍵工具。

 

轉(zhuǎn)化價(jià)值：為靶向菌群代謝（如抑制AppBCX）干預(yù)IBD提供理論依據(jù)。

 

6. 研究結(jié)論

 

1.宿主-微生物互作新范式：宿主炎癥ROS→被細(xì)菌解毒為O?→支持病原體有氧呼吸→促進(jìn)菌群失調(diào)（圖2A）。

2.靶點(diǎn)特異性：AppBCX（而非CydABX）是炎癥環(huán)境下核心呼吸酶，依賴(lài)上皮NOX1及細(xì)菌過(guò)氧化氫酶。

3.治療啟示：抑制AppBCX或阻斷ROS-O?轉(zhuǎn)化或可緩解炎癥相關(guān)菌群失衡。

 

7. 核心圖示

 

[炎癥] → [上皮NOX1釋放ROS] → [細(xì)菌KatE/KatG將H?O?→O?] → [O?支持AppBCX呼吸] → [大腸桿菌生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)]

 

Unisense電極：精準(zhǔn)量化O?動(dòng)態(tài)，驗(yàn)證代謝轉(zhuǎn)化鏈

 

研究啟示：

 

Unisense電極技術(shù)通過(guò)高分辨率氧監(jiān)測(cè)，揭示了宿主-微生物代謝對(duì)話(huà)的微觀動(dòng)態(tài)，為研究炎癥環(huán)境中微生物呼吸適應(yīng)性設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)可拓展至其他氣體分子（如NO、H?S）在菌群生態(tài)中的作用研究。