人等宿主如何控制体内微生物组的机制
人等宿主如何控制体内微生物组的机制
许多多细胞生物，包括人类，都携带共生微生物群落。这些微生物群具有防止感染、提供营养、促进免疫发育甚至影响认知的能力，对健康至关重要。宿主通过多种机制控制其共生体，包括免疫、屏障功能、生理稳态和运输。这些机制使宿主能够塑造微生物组的生态学和进化，并产生有益于宿主的微生物性状的自然选择。
图示：夏威夷短尾鱿鱼光器官选择生物发光细菌。许多动物避免腐烂的食物以减少病原体定植。一些豆科植物在根瘤中容纳固氮细菌，并通过切断固氮太少的根瘤的营养来控制它们。大熊猫是一种最近进化的食草动物，其肠道微生物群缺乏有效分解植物材料的酶，是宿主控制不佳的一个例子。
宿主控制机制
宿主控制机制通过多种方式影响微生物组生物学的几乎每一个方面。这些机制包括：
免疫性：免疫系统能够迅速学习微生物表型与基因型之间的关联，是已知最复杂的宿主控制系统。在哺乳动物的肠道中，一个关键的行动机制是通过IgA，它可以帮助细菌附着在黏液上，也可以使细菌相互粘附形成可以被清除的细菌团块。
屏障功能：宿主使用屏障来限制共生体。肠道黏膜是一个重要的屏障例子，它限制了微生物与宿主细胞的接触，但允许代谢物双向通过。
过渡：宿主有能力通过如蠕动等机制在其微生物组内移动共生体，这可以迅速清除引起疾病的共生体。
生理学：宿主以强烈影响其共生体的方式控制其微生物组的生理学，例如通过逆流血流限制氧气，促进微生物发酵。
宿主行为：动物避免食用变质食物的能力可以帮助保持微生物组免受病原体侵害。
图1. 宿主对微生物组的控制机制。
免疫系统的作用
脊椎动物免疫系统是已知最复杂的宿主控制机制。它包括先天免疫，这是进化上古老的，检测微生物和感染的保守特征，以及适应性免疫，仅存在于有颌脊椎动物中，可以在宿主的生命周期内生成新的受体以识别特定的微生物菌株。
屏障功能
限制微生物可以在哪里定殖和生长的屏障对于控制微生物组至关重要。一些屏障，如哺乳动物的皮肤，阻止微生物和其他几乎所有物质的通过。其他屏障，包括动物的黏膜上皮和植物的根上皮，充当选择性屏障，限制微生物的转运但允许化学交换。
生理学和稳态
宿主对其微生物组影响的关键之一是定义共生体可以栖息的生态位。这些生态位在时间和空间上可能有所不同，并在宿主的不同部分选择不同的微生物组。宿主塑造生态位的方式也是多样的，包括提供营养物如黏蛋白，以及其他产品。
转运
许多动物宿主也能够影响共生体的位置。黏液的产生创造了一种从上皮表面远离的持续流动，这在免疫激活下可以增加以清除有问题的微生物。纤毛的动作将微生物和颗粒沿着珊瑚表面、哺乳动物肺部以及肺鱼肠道等不同环境中的上皮表面移动。
宿主行为
行为选择使宿主能够偏好有益共生体的移入而非有害共生体。例如，避免摄入变质食物可能减少摄入病原体的可能性。包括哺乳动物在内的一些物种还可以迅速学习味道与随后的疾病之间的新关联，以避免此后的危险食物。
宿主控制如何影响微生物组
宿主已经进化出一套多样化且复杂的机制，允许它们控制和塑造其微生物组。从进化的角度来看，宿主控制的目的是为了增加宿主从其微生物组中获得的适应性益处。宿主控制可以通过改变存在的共生体表型（“伙伴操纵”），或两者兼而有之，来增加宿主的收益。
图4. 宿主控制如何影响微生物组？
共生体的进化与反适应
相对于宿主，共生体的代时通常非常短。在生态学上，这导致了微生物群落物种组成的快速变化，这种变化是由共生体的死亡和生长速率差异驱动的。短的代时也意味着共生体物种可以在宿主的生命周期内迅速进化并在其种群内经历遗传变化。
展望
为了更好的健康操纵微生物组是具有挑战性的。抗生素可以帮助处理一些疾病，但这是一种粗糙的操纵方式，它会摧毁微生物组并导致药物抗性的进化。因此，人们非常感兴趣于潜在的替代方法，包括噬菌体治疗、粪便微生物移植和特定微生物联合体的递送。然而，像抗生素一样，这些策略都集中在微生物本身。一个替代方案是关注宿主控制机制。这些机制经过自然选择塑造，以应对微生物组内在的多样性和可变性，甚至限制抗药性的进化。
研究这些机制对于理解微生物组和为了更好的健康操纵它们是至关重要的。