让肠道噬菌体研究不再小众,4大魅力深深吸引我!
马迎飞 2019-09-05
时长:22:48 字幕:刘婧 审校:蓝灿辉
什么是噬菌体,它们有什么功能,肠道噬菌体有什么特征,噬菌体疗法有什么优势和挑战,真的可以合成噬菌体吗?
马迎飞
中国科学院深圳先进技术研究院研究员
2009年毕业于中科院微生物研究所,并于同年进入加利福尼亚大学Scripps海洋研究所进行博士后研究,曾任纽约大学医学院人类微生物基因组课题组成员之一。现任中国科学院深圳先进技术研究院研究员。
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本演讲由G30企业提供资助,并受到民福社会福利基金会的大力支持和协助。
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图文实录

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非常感谢热心肠先生,让我能够有机会和大家分享一点知识。今天我带给大家的知识是关于The Thing,中文意思就是说“东西”。

到底是什么样的东西呢?

这个东西在整个环境里无处不在,数量非常巨大;这个东西的结构非常简单,体积非常的小;这个东西在整个分子生物学的发展史上,具有一个非常重要的地位;这个东西我们称为生物界的暗物质——噬菌体。

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今天我就带大家来探索人体微生物组中的暗物质——噬菌体的前世今生。

我是马迎飞,来自中国科学院深圳先进技术研究院。

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噬菌体是专一感染细菌的病毒,它和细菌在自然环境里共同存在、共同进化,然后影响着整个生态环境里的功能。

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噬菌体是怎么发现的呢?

在19世纪初期,有一个欧洲的科学家去印度考察时,发现一个非常奇怪的现象。就是在恒河里面漂流着大量的尸体——动物的尸体和人的尸体,但是周围的人又以恒河作为水源,居然没有发生大规模的霍乱疫情的爆发。

这是怎么回事呢?

他就用过滤过的恒河的水来培养霍乱弧菌,发现居然可以抑制霍乱弧菌的生长,所以他就提出,在恒河水里可能有一种因子或者东西可以控制霍乱弧菌的发生。

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到了1915年的时候,有两位科学家通过平板培养的方法,第一次观察到了这个过程,就是这个东西可以在平板上特异地去裂解并杀死细菌,这在平板上就体现为出现有很清亮的噬菌斑。

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直到电镜发明以后,我们才第一次直观地感受到了这个东西它具体是什么样子。

我们这个图里有几个例子,分别是感染大肠杆菌的 T4、λ、T7、M13还有Phi X 174这几种噬菌体,可以看到它的外形多种多样。

但是前三个噬菌体有一个共同的特征,就是有一个尾巴,虽然长短不一样,我们称为有尾噬菌体。

在自然界里,这类噬菌体据估计可以占到所有噬菌体的90%以上,是一类主要的噬菌体。

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我们整个地球上生物圈里的噬菌体的数量,估计是在1030-31个,那么我们可以观测到的整个宇宙中的星星的数量,据估计可以在1028-30个。

所以,整个地球上的噬菌体的数量,要比整个宇宙中的星星的数量还要多。

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那么这么大量的噬菌体在整个地球生物圈里,起到一个什么样的作用?

第一个作用就是它可以促进基因的交流。噬菌体通过感染细菌,可以整合到细菌的基因组上去,从而赋予细菌一些特异的表型。

比如说我们知道大肠杆菌O157,它是一个很有名的致病菌,它的致病性就是来源于感染它的一株噬菌体携带有一个致病基因。

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噬菌体的第二个功能就是维持微生物的多样性。

在整个地球生物圈里,如果某一个物种的数量变超级多,失控之后很容易就在这个物种之间发生瘟疫。

如果在一个细菌的种群里,某一种细菌的数量突然爆发性的增长,那么它对应的噬菌体就会特异地侵染并杀死这一类细菌,从而让整个细菌的种群回归到平衡的状态。

这个理论在生态学上叫Kill the Winner。

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噬菌体在整个地球生物圈里,它还参加地球的物质循环。

在海洋里有一类很重要的细菌——蓝细菌。它是地球最重要的一种初级生产力,它通过光合作用可以吸收二氧化碳转化成葡萄糖。

那么在海洋里,50%左右的这种蓝细菌最终的归宿是被它对应的噬菌体裂解,然后把它细胞的内容物释放到整个海洋环境里,为周围的一些微生物或者生物系统提供营养元素。

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噬菌体也是人体微生物组的一个很重要的组成部分。

人体微生物组的研究的热度越来越高,但是其中大部分的文章都是关于细菌组的研究,我们大部分的研究其实都忽略了噬菌体组在里面的作用。

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每个人的肠道里差不多含有1014个肠道的细菌,但是它的噬菌体居然有1015-16个,要比细菌的数量多到1-2个数量级。

目前来讲,在公共数据库里,关于噬菌体的全基因组的数据有的不超过1万株,而一个人的肠道里面就有1015-16个,所以我们对于噬菌体的认识还远远远远的缺乏。

所以噬菌体被称为生物界的暗物质。

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噬菌体研究有几个难点。

第一个难,就是培养难。噬菌体是严格依赖于宿主的一类病毒,所以只有得到它的宿主之后,我们才可以培养、获得这种噬菌体。

自然界里还是有差不多超过99%的细菌都没有培养出来,那么很可能就是整个自然界里有99.999%以上的噬菌体我们仍然没有看到,或者没有培养出来。

那么我们是不是可以通过高通量宏基因组——非培养的方法来获得噬菌体的基因组序列呢?

当然是可以的,但是我们难的是鉴定。怎么样从复杂的宏基因组数据里把噬菌体鉴定出来,这个是非常困难的。

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目前来讲,病毒的宏基因组测序的研究主要有两种策略。

第一个策略就是,我就不管它里边有什么生物,我就直接从粪便里提取DNA,然后去进行宏基因组测序,最后这里面据推测有17%的DNA序列是来自于噬菌体。

另外一种,我们就是直接从粪便里通过过滤的方法、离心的方法来首先纯化、获得噬菌体的颗粒,然后去提取它的DNA,然后再做宏基因组测序。这种方法的缺点是什么呢?我们丢掉了很多细菌的信息。

前一种方法里,所有的生物的信息都在里面。我们可以通过分析宏基因组的信息来鉴定噬菌体,以及它们在这个体系里面的作用到底是什么。

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我们总结一下,有哪些方法可以从宏基因组数据里鉴定噬菌体的序列。第一个,就是依赖于已知的噬菌体和噬菌体的标志功能基因。

我们知道噬菌体有它的特殊的结构,比如说它有一个很漂亮的蛋白质外壳,这些蛋白质的结构都是噬菌体特有的。

那么我们可以通过特异地去识别编码这些蛋白的基因是不是在这个序列上,来判定这个序列是不是来自于噬菌体的基因组。

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第二个方法,与我们知道的CRISPR有关。它是一种在细菌基因组上的结构,用来抵抗外源DNA,包括噬菌体或者质粒的感染。

在CRISPR结构上有一类Spacers序列,就是来源于外源的噬菌体的序列或者是质粒的序列。

那么我们可以通过鉴定CRISPR的结构找到它的Spacers序列,然后通过Spacers序列,来从复杂的宏基因组数据里去调出来携带有这一段序列的可能的噬菌体的基因组,这是第二种方法。

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现在有一些人依据深度学习的方法,开发了很多的软件或者算法,从复杂的宏基因组数据里来鉴定噬菌体的序列。

那这些方法到目前为止还都不是很完美,但是也是一个很有效的思路。

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我们看到,当前人体噬菌体组的研究还远远的不够。

这是我在公共数据库Pubmed里用Human Virome或者Human Phage作为关键词,搜索得到的每一年的文章的数量。

人体噬菌体组相关的文章在2018年才不超过100篇,而相对应的人体微生物组的研究要远远超过这个数量,差不多每年有近万篇的文章出现。

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根据以上这些已经发表的人体噬菌体组的一些文章,我们可以总结一下人体肠道噬菌体组的一些特征。

第一个特征就是,在人体肠道里和开放环境里噬菌体组的组成有显著的不同。人体肠道里温和噬菌体是占主要的,然后在开放环境里,比如说海洋、湖泊环境里,裂解性噬菌体是占主要的。

这一个区别就说明了,不同的环境对于噬菌体的组成也是有很大的影响。

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第二个特征就是,噬菌体的基因组之间和每一个个体之间,肠道噬菌体的组成差异巨大,要远远大于其相对应的细菌的组成的差异。

我们通过用已知的噬菌体的基因组做参考序列,然后用145个宏基因组读长序列去比对这些用于参考的噬菌体序列。

我们可以看到,只有很少的噬菌体可以在肠道的宏基因组数据里找到相对应的序列,而这些序列的覆盖率大概只有20-30%的样子。

所以这些噬菌体的差异非常非常的巨大。

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那么这些肠道噬菌体的功能是什么?它能不能和一些疾病相关?

在2015年的时候,有一篇《Cell》的文章发出来,把肠道噬菌体的组成和炎症性肠病的发生关联起来。

他们发现在炎症性肠病病人的肠道里面,细菌的数量、多样性是降低的。但是一些噬菌体的数量,它们的丰度、多样性是增高的,就是噬菌体的这种变化是独立于细菌的变化的。

这种变化的机制是什么,目前还不清楚。

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肠道噬菌体还有一个非常有意思的功能。

很多肠道噬菌体的基因组上编码一些特异的蛋白,这些蛋白可以表达在噬菌体的外壳上,然后特异地去结合到肠道粘膜的细胞上去。当大量的噬菌体结合到肠道粘膜上去,它形成了一道屏障。

这时候,如果有细菌来试图感染肠道细胞的时候,就首先要穿透噬菌体的这层外壳。这时候噬菌体就会特异地识别对应的病原菌,然后把它裂解掉

所以,这个时候噬菌体在肠道里提供的作用就是保护宿主,来抵抗细菌的感染,所以这也是一个很有意思的发现。

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那么作为研究最多的、最清楚的、和人体肠道相关的就是糖尿病,它是不是也和肠道噬菌体的功能有关系呢?

在2010年的时候有一篇文章,在这个文章里他们主要分析了其中细菌的组成和变化是显著的,和Ⅱ型糖尿病是相关的。

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那么我们利用这一组数据,通过自己开发的一套生物信息学分析的流程,发现了大量的噬菌体序列。

通过这些噬菌体的序列,我们发现了肠道噬菌体组的一些有意思的特征。

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第一个,就是肠道噬菌体的组成。

长尾噬菌体在人体肠道里是占一个很主要的成分,大概有40%的噬菌体是来自于长尾噬菌体。

而温和型噬菌体大部分都是属于长尾噬菌体,这一发现也和前面的报道是相吻合的。

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第二个,有尾噬菌体具有一些标志性基因,我们利用这些标志性基因可以去做一个进化树。

我们发现,在这个进化树上有很多很多新的,来自于肠道的一些序列,都是从来没有被报道过的,来自于一些噬菌体。

所以,肠道里有非常非常多的新的噬菌体的序列有待于我们去发现,它们的功能也有待于我们去揭示。

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那么通过 CRISPR 的 Spacers 和噬菌体序列之间的关系,我们发现了大量的可以感染拟杆菌的专一性的噬菌体的序列。

拟杆菌是肠道里一类很重要的细菌,但是它的噬菌体非常难以分离。到目前为止,在公共数据库里有报道的,有全基因组序列的噬菌体,只有三株可以感染拟杆菌。

但是,我们通过这种宏基因组的方法,鉴定了大量的可以专一感染拟杆菌的噬菌体的序列。

通过对这些噬菌体的序列进行分析,我们发现在这些噬菌体的基因组上,有非常多有意思的基因。

比如说,有一些基因很可能参与到维生素的合成或者代谢过程,这些基因很可能赋予它们的细菌宿主一些特性,这些特性可以帮助这些宿主细菌适应人体肠道的环境。

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再有一个,我们通过 Spacer 和噬菌体的基因组之间的关系,可以鉴定出来很多的噬菌体和它的宿主之间的关系。

通过建立这种关系,我们发现噬菌体感染宿主细菌具有非常高的专一性,我们看到大部分的噬菌体,都是只能专一感染同一类同一属的细菌。

但是有一类的噬菌体可以跨属去感染不同的细菌,这些噬菌体的感染有可能加速了基因在这些不同的属之间的交流。

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我们知道,在Ⅱ型糖尿病人的肠道里,有很多的细菌和正常人的对照有显著的差异,那么其中的噬菌体组是不是也有这种差异呢?

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那我们通过分析它的噬菌体的数量,就发现在糖尿病人的肠道里,不管哪一种类型噬菌体的数量,都是显著要高于正常对照组的噬菌体的数量。

这一特征说明了什么呢?

我们可以猜一下,比如说一些糖分之类的物质,它可能诱导肠道环境里的溶原性的噬菌体向裂解性的噬菌体转变,从而增加了肠道噬菌体的数量。

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通过这种网络图分析,我们还鉴定了噬菌体是肠道细菌组成变化的一个很重要的驱动力,很多的噬菌体和一些很重要的肠道细菌具有很强烈的关联性。

那很可能,这些噬菌体通过影响它对应的宿主,来影响肠道里整个细菌菌群的组成还有变化。

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我们除了研究人体肠道的噬菌体组之外,我们还在研究很多模式生物,比如说猴子、猪还有老鼠肠道的一些噬菌体组的组成。

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通过研究噬菌体,我们除了可以揭示肠道噬菌体组和一些疾病以及人体健康的关系之外,我们还可以利用噬菌体可以特异感染并杀死细菌的特性,用噬菌体来控制、治疗超级耐药菌的感染。

2015年,美国的一对夫妇在埃及旅行的时候,丈夫感染了超级耐药菌——鲍曼不动杆菌。在临床上出现了无药可救的情况,就是任何一种抗生素都不起作用了。

幸运的是,太太是研究噬菌体的,她就紧急去FDA申请了临床的审批,在她丈夫身上用噬菌体来治疗这种耐药菌的感染,居然获得了痊愈。

另外还有一个今年刚刚报道的案例,就是通过基因工程编辑的噬菌体,用来治疗感染耐药菌——分枝杆菌的一个病人,也收获了很好的效果。

自从噬菌体被发现开始到现在,一直都有用噬菌体来治疗细菌感染成功的例子。尤其是在今天,在东欧的一些国家,噬菌体仍然是用来对抗细菌的很重要的一种药品。

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用噬菌体来治疗耐药菌感染,它有一些独特的优势。

第一个就是宿主特异性高。在人身体里的菌群里,只有很少部分是能导致疾病的病原菌。那如果我们专门针对这种病原菌去开发它的噬菌体,就能杀灭这个病原菌,并且不会对其他健康的菌群造成影响。

第二个就是指数增殖能力强。一个噬菌体感染一个细菌之后,就可以产生100个左右的子代噬菌体出来。那么这个过程下去,很可能在短短一段时间内,就可以杀灭这个环境里所有对应的病原菌。

第三个就是不良反应少。应用噬菌体来治疗细菌感染,到现在已经有接近100年的历史,但是到目前为止,还没有一个具有很强不良反应的例子被报道出来。

第四个就是种类极其丰富。噬菌体的数量很大,基因组的多样性非常高,每一种细菌在环境里都有众多种类不同的噬菌体,所以我们有这么多的资源可以利用。

所以,2014年的时候,噬菌体疗法被美国列为应对耐药菌感染的一个很重要的武器。

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但是到目前为止,噬菌体疗法还局限在一些临床的研究上,为什么呢?

第一个就是我们对噬菌体的认识还非常的少。我们现在能够得到的噬菌体,知道基因组序列的噬菌体,其实不超过1万个。

第二个就是抑菌谱非常的窄。它的抑菌谱窄是优势也是一个劣势,在环境里,病原菌有很多不同的亚型,然后往往有很多噬菌体只可以感染其中的某些亚型,而不能够感染所有的亚型。

第三个就是潜在的毒性。体现在什么地方呢?就是噬菌体基因组上。

通常噬菌体会在不同的细菌之间交流,就有可能把病原基因等一些有害的基因,比如说毒性基因或者抗生素抗性基因,转移到新的细菌里面去,从而赋予这个新的细菌一些新的特性,比如说致病性。

第四个就是响应速度慢。我们现在分离噬菌体,可能需要一个月的时间来做分离、筛选、评估、鉴定。这么一个流程下来,病人如果很紧急的话,可能也就不行了。

那么我们有没有办法来改变这种情况,噬菌体疗法将来的走向应该是什么样子的?

我们提出,希望可以通过用合成生物学的方法,合成一些噬菌体来安全、高效的应对耐药菌的感染。

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一个药品从实验室走到临床需要一个漫长的途径,噬菌体也不例外。

那么我们想,在当前有一个很重大的需求,就是我们国家在2020年的时候,要在畜牧水产养殖上全面推行禁抗或者限抗。

我们是不是可以利用噬菌体来防治细菌的感染,以填补这一空白?我想应该是可以的。

所以我们噬菌体疗法的策略和路线,就是希望首先应用在畜牧水产养殖上,取得共识、取得认识、取得大众的认可,然后慢慢走到临床上去。

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在我们实验室,已经针对人畜常见的病原菌构建了专一性的噬菌体库,已经分离获得了超过500株不同的一些噬菌体。

然后我们对其中300株进行了一些表征,比如说它的电镜照片,它的一些裂解的特性,它的基因组的一些分析。

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在我们实验室,还应用这些噬菌体进行了一些现场的实验。

我们应用噬菌体来治疗对虾上溶藻弧菌的感染,在很多养殖场,弧菌的爆发往往是在很短的时间内可以造成对虾大面积的死亡。

在我们合作的一个企业上,在他们的养殖基地,我们就在爆发弧菌病的虾上分离了弧菌,然后用这个弧菌从环境里分离到了它对应的噬菌体。

然后我们又把这个弧菌回接到虾上,可以导致虾的弧菌病。当我们用噬菌体时,还有另外一个实验组是用的抗生素。

我们可以发现,这个噬菌体可以取得和抗生素同样的效果,就是它可以保护虾不被弧菌感染并杀死,可以取得一个很好的生存率。

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在3-5年之内,我们希望结合合成生物学的方法,对噬菌体做一些改造。

我们能够构建一些精准靶向、携带特殊基因的、安全的、高效的噬菌体制剂,来逐渐地推向到临床,获得CFDA的批准,然后到临床用药。

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总结一下,我们知道大部分微生物组研究都集中在细菌上,那我们为什么要做噬菌体组的研究,这个很小众。

第一个呢,我们要为了发现新的噬菌体,然后理解这些噬菌体在环境里的功能和意义是什么。它们一定具有很重要的功能和意义,只是我们没有发现。

第二个呢,就是应用噬菌体来治疗耐药菌的感染。这个也是目前一个具有强大需求的应用方向。

第三个呢,就是应用噬菌体来实现对复杂肠道菌群的调节和改造。

我们知道,如果用抗生素的话,可能一下子就把所有的菌都杀死了。那么我们如果用噬菌体的话,可以很精准地、靶向地去杀死我们要杀死的细菌。这样的话,我们就可以实现对复杂肠道菌群的一个调节。

第四个呢,就是用噬菌体进行合成生物学研究。

噬菌体作为最简单的一种东西,它不能称为生命,它具有很简单的一个DNA结构或者RNA结构。

在过去100多年里,一些分子生物学的很重要的发现,很多诺贝尔奖获得者的研究,都是基于噬菌体来做研究的。那么在合成生物学方面,作为21世纪的生物学,我们希望还可以利用噬菌体来研究生命科学的一些基本的原理。

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感谢热心肠先生,感谢我的团队,感谢国家各级基金委的支持。我们也欢迎各位年轻的科学家可以加入到噬菌体组的研究中来。

谢谢大家!我是马迎飞,谢谢!


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