Microbiota-liberated host sugars facilitate post-antibiotic expansion of enteric pathogens

Ng KM, Ferreyra JA, Steven K. Higginbottom, Jonathan B. Lynch, Purna C. Kashyap, Smita Gopinath, Natasha Naidu, Biswa Choudhury, Bart C. Weimer, Denise M. Monack and Justin L. SonnenburgNature (2013) 502: 96-9

Speaker: Yu-Chi, Ho (賀聿齊)                                       Time: 15:10~16:00, Feb. 26, 2014

Commentator: Dr. I-Hsiu Huang (黃一修 老師)                 Place: Room 601

Abstract:

在正常人類腸道中存在著群體複雜的微生物菌叢，它們能夠提供保護免於致病菌的感染。然而，抗生素的服用常常造成腸道內的菌叢破壞，影響細菌間的生態平衡，此一失衡，便伴隨著伺機性的致病菌開始增生並產生病徵，Salmonella spp. 和 Clostridium difficile (1)，這兩者是常見致病菌。 亟欲了解腸道內的共生菌如何去保護腸道免於致病菌的危害以及共生菌相的破壞如何引起疾病是相當重要，尤其對於未來的防範以及藥物的開發 (2)。 作者使用普遍危害人類，但是親原關係相當遠的兩種腸道致病菌，Salmonella Typhimurium和Clostridium difficile 去感染無菌鼠和Bacteroides thetatiotaomicron (Bt, 常見的腸道共生菌) 預先生長於腸道的老鼠。作者發現S. Typhimurium在感染「Bt-colonized老鼠」之後，某些參與代謝sialic acid (nan) 和 fucose (fuc)的基因和感染「無菌鼠」相比之下，有顯著的上升。而且在Bt-colonized老鼠感染模型中，當去除nan和fuc基因的S. Typhimurium突變株和野生株相比，競爭存活力是下降的。相同的結果在C. difficile感染Bt-colonized老鼠的模型中也可以觀察到，共生菌釋放的sialic acid可以幫助其生長。此外，sialidase是可以將多醣體的末端糖類切下產生sialic acid的酵素基因，作者將Bt的sialidase突變株生長於老鼠腸道內，發現腸道內的sialic acid量有降低，並且在感染C. difficile之後，發現其sialic acid代謝途徑的基因和生長的能力有明顯的下降；相反的，若給予額外的sialic acid可以回補C. difficile的生長情況。作者也觀察到，當給予一般老鼠抗生素之後，腸道內的sialic acid有上升；倘若感染了無法代謝sialic acid及fucose的S. typhimurium 和 C. difficile突變株，都顯示其生長力有下降的趨勢。根據上述的結果，使用了抗生素後造成腸道內的正常菌叢破壞，接著導致腸道內醣類代謝物的量上升，這些醣類可以接著被致病菌利用並增加其生長力，最終導致疾病發生。

References:

1.         Pavia, A. T. et al. Epidemiologic evidence that prior antimicrobial exposure decreases resistance to infection by antimicrobial-sensitive Salmonella. J. Infect. Dis. 161, 255–260 (1990).

2.         Stecher, B. et al. Like will to like: abundances of closely related species can predict susceptibility to intestinal colonization by pathogenic and commensal bacteria. PLoS Pathog. 6, e1000711 (2010).