The ISME Journal
人类肠道微生物群中的AI-2介导通讯网络

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该研究首次系统分析了人类肠道微生物群中QS信号合成酶和受体的分布情况，揭示AI-2是肠道微生物通讯中最广泛使用的QS信号，并提供了其与多种受体结合的分子证据。研究还构建了AI-2介导的微生物通讯网络，为合成微生物群落的工程化提供了理论依据。

 

文献概述
本文《Autoinducer-2-mediated communication network within human gut microbiota》，发表于《The ISME Journal》杂志，回顾并总结了QS信号分子AI-2在人类肠道微生物群中的广泛分布及其受体多样性，进一步分析了AI-2合成和受体基因在健康与疾病状态下的表达情况，并构建了基于LuxS和不同受体类型的微生物通讯网络。文章强调了AI-2在肠道微生物互作中的核心作用，为调控肠道微生物群落及设计合成微生物群落提供了重要线索。

背景知识
群体感应（QS）是微生物之间通过小分子信号进行化学通讯的机制，AI-2是少数可介导革兰氏阳性与阴性细菌之间通讯的QS信号。尽管此前研究已确认LuxP和LsrB为AI-2受体，但它们的分布有限，限制了对AI-2在肠道微生物中通讯功能的理解。近年研究发现dCache_1和GAPES1结构域也可作为AI-2受体，广泛存在于原核生物中。本研究基于统一人类肠道基因组（UHGG）数据库，系统分析AI-2合成酶luxS及其受体的分布和表达，进一步通过网络分析揭示其在健康与疾病状态下的潜在作用。该研究为合成微生物群落的构建和肠道微生态的工程化提供了理论基础。

 

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研究方法与实验
研究人员从MGnify数据库的UHGG v2版本中选取3329个高质量的物种级原核基因组，使用Prokka软件进行重新注释，结合HMMsearch和Pfam数据库筛选luxS基因和AI-2受体基因的分布。通过多重序列比对和WebLogo分析，确认dCache_1和GAPES1结构域中与AI-2结合的关键氨基酸位点。进一步利用Vibrio harveyi生物发光报告系统、等温滴定量热法（ITC）验证受体与AI-2的结合能力，并通过体外c-di-GMP合成和激酶实验验证受体功能。最后，基于宏转录组数据评估luxS和AI-2受体基因在健康和疾病状态下的表达水平，并使用EVenn和Cytoscape构建通讯网络模型。

关键结论与观点

• luxS基因广泛存在于2039个物种中，主要分布在厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门和变形菌门，其中AI-2受体LuxP仅在6种弧菌中存在，而LsrB则在101种肠杆菌科等细菌中表达。
• 221个物种中发现300个dCache_1结构域，这些结构域具有五个保守氨基酸残基（R126、W128、Y144、D146、D173），并可与AI-2结合，其中部分受体在体外实验中表现出对c-di-GMP合成或激酶活性的调控作用。
• 29个肠杆菌属物种中鉴定出30个GAPES1结构域，其中29个具有保守位点（Y210和D239），且AI-2结合后可增强其c-di-GMP合成能力，表明其在信号传导中的功能。
• 宏转录组分析显示，在健康个体中，834个基因组表达luxS，其中105个同时表达AI-2受体基因。在疾病状态下，luxS与受体共表达的物种增加至70种，表明AI-2通讯网络可能在肠道失调中发挥更活跃的作用。
• 构建的通讯网络揭示AI-2可介导厚壁菌、变形菌、放线菌、弯曲菌和螺旋菌门之间的广泛互作，并提示不同受体类型可激活多种下游信号通路，如甲基化趋化蛋白、组氨酸激酶、c-di-GMP合成酶等。

研究意义与展望
本研究首次系统性地揭示了AI-2在人类肠道微生物群落中的广泛存在及其受体的多样性，为解析微生物间通讯机制提供了新的分子线索。未来可进一步探索AI-2信号在肠道稳态、病原入侵和宿主健康中的动态作用，并开发基于AI-2通讯的合成微生物群落用于肠道生态工程。

 

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结语
本研究通过对3329个高质量人类肠道微生物基因组的分析，发现AI-2是该系统中最普遍的QS信号，并揭示了其受体LuxP、LsrB、dCache_1和GAPES1在不同微生物中的分布与功能。研究进一步构建了AI-2介导的通讯网络，为理解肠道微生物群落的复杂互作提供了理论基础。这些发现不仅加深了对群体感应在肠道微生物生态中的作用的认识，也为未来合成微生物群落的工程化提供了关键靶点和研究框架，具有重要的转化潜力。

 

Qingying Fan, Hengxi Sun, Xueyuan Lin, Xihui Shen, and Lei Zhang. Autoinducer-2-mediated communication network within human gut microbiota. The ISME Journal.