一项新的分析揭示了金黄色葡萄球菌如何获得突变，使其能够在湿疹斑块中定植。
人体皮肤是数百万微生物的家园。其中一种微生物金黄色葡萄球菌是一种机会性病原体，可以侵入受湿疹(也称为特应性皮炎)影响的皮肤斑块。
在一项新的研究中，麻省理工学院和其他机构的研究人员发现，这种微生物可以在一个人的微生物组中迅速进化。他们发现，在患有湿疹的人中，金黄色葡萄球菌倾向于进化为具有特定基因突变的变体，该基因有助于其在皮肤上更快地生长。
这项研究标志着科学家首次直接观察到与复杂皮肤疾病相关的微生物的这种快速进化。这些发现还可以帮助研究人员开发潜在的治疗方法，通过靶向具有这种突变并倾向于恶化湿疹症状的金黄色葡萄球菌变体来缓解湿疹症状。
“这是第一项表明金黄色葡萄球菌基因型正在改变特应性皮炎患者的研究，”土木与环境工程助理教授，麻省理工学院医学工程与科学研究所成员Tami Lieberman说。“据我所知，这是皮肤微生物组适应性进化的最直接证据。
Lieberman和墨西哥国家儿科研究所的皮肤科医生兼助理教授Maria Teresa García-Romero是该研究的资深作者，该研究发表在Cell Host和Microbe上。Felix Key是前麻省理工学院博士后，现在是马克斯普朗克感染生物学研究所的小组负责人，是该论文的主要作者。
细菌适应
据估计，30%至60%的人在鼻孔中携带金黄色葡萄球菌，而金黄色葡萄球菌通常是无害的。在美国，湿疹影响了大约10万儿童和16万成年人，在湿疹患者中，金黄色葡萄球菌经常扩散到湿疹斑块并感染皮肤。
“当皮肤破裂时，金黄色葡萄球菌可以找到一个可以生长和复制的利基，”利伯曼说。“人们认为细菌有助于病理学，因为它们分泌毒素并招募免疫细胞，这种免疫反应进一步破坏皮肤屏障。
在这项研究中，研究人员希望探索金黄色葡萄球菌如何适应湿疹患者的皮肤生活。
“这些微生物通常生活在鼻子里，我们想知道当它发现自己在特应性皮炎皮肤上时，它是否需要改变才能生活在那里?我们能从观察它的进化中了解这些细菌如何与特应性皮炎皮肤相互作用吗?”利伯曼说。
为了回答这些问题，研究人员招募了5至15岁的患者，他们正在接受中度至重度湿疹的治疗。他们每月采集一次皮肤上的微生物样本，持续三个月，然后在九个月时再次采集。样本取自膝盖后部和肘部内侧(受湿疹影响的最常见部位)、通常不受影响的前臂和鼻孔。
来自每个样品位点的金黄色葡萄球菌细胞分别培养，以从每个样品中创建多达10个菌落，一旦形成大菌落，研究人员就会对细胞的基因组进行测序。这产生了近1，500个独特的菌落，这使得研究人员能够比以前更详细地观察细菌细胞的进化。
使用这种技术，研究人员发现大多数患者保持金黄色葡萄球菌的单一谱系 - 也就是说，从环境或其他人进入并取代现有金黄色葡萄球菌菌株是非常罕见的。然而，在每个谱系中，在研究的九个月中发生了大量的突变和进化。
“尽管在谱系水平上具有稳定性，但我们在整个基因组水平上看到了很多动态，在这些细菌中不断出现新的突变，然后扩散到整个身体，”利伯曼说。
许多这些突变都起源于一种名为capD的基因，该基因编码合成荚膜多糖所必需的酶 - 一种保护金黄色葡萄球菌免受免疫细胞识别的涂层。研究人员发现，在六分之二的深度采样患者中，具有capD突变的细胞接管了整个金黄色葡萄球菌皮肤微生物组种群。
其他患者被最初缺乏capD功能拷贝的菌株定植，在研究结束时共有22%的患者缺乏capD。 在一名患者中，四种不同的capD突变在不同的金黄色葡萄球菌样本中独立出现，然后其中一个变体占主导地位并扩散到整个微生物组。
靶向治疗
在实验室培养皿中生长的细菌细胞的测试中，研究人员表明，capD突变使金黄色葡萄球菌比具有正常capD基因的金黄色葡萄球菌菌株生长得更快。合成荚膜多糖需要大量的能量，所以当细胞不必制造它时，它们有更多的燃料来推动自己的生长。
研究人员还假设，胶囊的丢失可能会使微生物更好地粘附在皮肤上，因为允许它们粘附在皮肤上的蛋白质更容易暴露。
研究人员还分析了从患有和没有湿疹的人身上分离出的近300个公开可用的细菌基因组，发现患有湿疹的人比没有湿疹的人更有可能患有无法产生荚膜多糖的金黄色葡萄球菌变异体。
湿疹通常用保湿剂或局部类固醇治疗，如果皮肤似乎被感染，医生可能会开抗生素。研究人员希望他们的发现可以通过靶向具有囊状多糖突变的金黄色葡萄球菌变异来减轻湿疹症状的治疗方法的发展。
“我们在这项研究中的发现提供了关于金黄色葡萄球菌如何在宿主体内进化的线索，并揭示了一些可能有助于细菌留在皮肤上并产生疾病而不是能够被擦掉的特征，”García-Romero说。
“在未来，具有荚膜多糖突变的金黄色葡萄球菌变异体可能是潜在治疗的相关靶标。
利伯曼的实验室现在正致力于开发可用于靶向胶囊阴性金黄色葡萄球菌菌株的益生菌。她的实验室还在研究具有capD突变的金黄色葡萄球菌菌株是否更有可能传播给湿疹患者家庭的其他成员。
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