宿主miRNA通过调控黏膜附着微生物群影响犊牛大肠杆菌O157定植的机制研究

《Microbiome》：Host miRNAs regulate Escherichia coli O157 mucosal colonization through host-mucosa-attached microbiota interactions in calves

　　本研究针对STEC O157在牛直肠肛门的黏膜定植机制，通过多组学技术揭示了宿主miRNA与黏膜附着微生物群的互作网络。研究人员发现Stx2a毒素可改变Toll样受体(TLR)表达模式，进而影响bta-miR-181b等关键miRNA对宿主功能的调控。该研究首次阐明了微生物群生态位宽度变化与病原体定植的关联，为控制人畜共患病传播提供了新靶点。

　　

在食品安全领域，产志贺毒素大肠杆菌(STEC) O157:H7因其强大的致病性备受关注。牛作为该病原体的无症状携带者，通过直肠肛门交界处(RAJ)的持续排菌成为人类感染的主要源头。尽管前人研究发现粪便微生物群组成与"超级排菌者"(SS)状态相关，但病原体如何突破黏膜屏障、与宿主共生微生物互作的具体机制仍是未解之谜。更关键的是，主要毒力因子志贺毒素2a亚型(Stx2a)在此过程中扮演的角色尚不明确。

为破解这一难题，Pan等人在《Microbiome》发表的研究中，创新性地构建了Stx2a功能差异的同源O157菌株感染模型。通过纵向采集犊牛RAJ黏膜样本，整合活性黏膜附着微生物群测序、宿主转录组和miRNA组分析，揭示了毒力因子调控下宿主-微生物-病原体三方互作的动态图谱。

研究团队采用三大核心技术：首先利用同源重组技术构建Stx2a功能差异的O157菌株（野生型PT21/28stx2a^-stx2c⁺与实验室重构株RE21/28stx2a⁺stx2c⁺）；其次通过16S rRNA基因扩增子测序解析活性黏膜附着微生物群的生态位变化；最后采用双组学平行测序（Illumina NovaSeq 6000平台）捕获宿主转录组（平均68.6%映射率）和miRNA组（平均79.3%映射率）的时空动态。特别值得注意的是，所有实验动物均来自莫雷顿研究所（Moredun Research Institute）的3周龄荷斯坦犊牛队列（n=24），通过直肠活检在感染前（T1）、高排菌期（T2，第7天）和排菌下降期（T5，第26天）三个关键时间点获取黏膜样本。

微生物群生态位变化是O157定植的共性适应特征

通过生态位宽度指数分析发现，无论Stx2a存在与否，O157定植均显著降低了黏膜附着微生物群的绝对生态位 occupancy（图2A）。功能预测显示化学异养、发酵和厌氧化学异养这三种核心代谢功能在定植后显著减弱（图2B）。尤为重要的是，中间丰度菌群（相对丰度0.01%-1%）贡献了82%-98%的功能活性，其共享菌株比例在WT-T2与WT-T5间达42.5%（图S2），提示这类"被忽视的大多数"才是调控病原体定植生态的关键力量。

宿主转录组对Stx2a存在差异化响应

在高排菌期（T2），WT株诱导216个差异表达基因（DEGs），而RE株未见显著变化（图3A）。WT特异性激活肽酶抑制剂活性相关通路（如S100A9、IL36G基因），这种免疫识别机制可能被Stx2a抑制。至T5时期，WT与RE株均上调TLR4信号通路相关基因，共同激活抗菌肽介导的体液免疫应答（图3C）。基因共表达网络分析显示，DEGs主要富集于细胞外区域和屏障完整性两大功能模块（图S5）。

miRNA组呈现毒力因子特异性调控模式

研究首次发现miRNA对Stx2a的敏感性远高于病原体定植本身。RE株在高排菌期特异性上调bta-miR-219和-1224（表S4），而WT株在排菌下降期则激活bta-miR-184等5个miRNA。更引人注目的是调控模式的转变：WT株中17种宿主功能从多miRNA冗余调控（如bta-let-7i、bta-miR-181b协同作用）转变为bta-miR-33a单基因补偿调控（图4A）；RE株则维持bta-miR-124a/b家族的多靶点调控特性（图4B）。这种"一对多"与"多对一"的调控策略差异，揭示了毒力因子重塑宿主表观遗传调控的精细机制。

微生物-miRNA互作网络驱动细胞免疫应答

通过随机森林模型鉴定出Clostridia UCG-014等10个关键菌属与B细胞富集密切相关（图6B）。相关性网络分析显示，Paeniclostridium等差异菌属与bta-miR-2285bc等miRNA形成菌株特异性互作：在WT株中呈负相关，在RE株中转为正相关（图5）。这种互作关系最终通过TLR信号通路影响宿主免疫：WT株高排菌期TLR2/3高表达激活bta-miR-181b功能，而RE株中TLR4主导的bta-miR-146a/-184轴则成为核心调控环节（图7）。线性回归进一步证实bta-miR-190b等4个miRNA与粪便排菌量显著相关（图S9），为无创监测提供了潜在生物标志物。

本研究通过构建"生态位压缩- TLR信号转换- miRNA调控重塑"的三级应答模型（图8），阐明了Stx2a如何通过干扰宿主识别机制帮助病原体逃逸免疫监视。该发现不仅为理解细菌毒力因子与宿主表观遗传的共进化提供了新视角，更启示通过调控特定miRNA（如bta-miR-181b）或中间丰度菌群可能成为阻断人畜共患病传播的新策略。尽管微生物功能预测存在数据库局限，且miRNA-靶基因互作需进一步实验验证，但这项研究无疑为破解病原体定植的"黑箱"机制开辟了多组学整合研究的新范式。