Nat Microbiol | 宋雨林等揭示colibactin参与天然微生物组内细菌间竞争进而影响宿主健康

肠道微生物组与宿主的健康息息相关。人肠道中的 一些大肠杆菌（ Escherichia coli ）能产生一种名为colibactin的细菌毒素。这种毒素因具有诱导肠壁细胞DNA突变的活性而与结肠癌的发病率高度相关。迄今对colibactin的研究主要集中在其对宿主DNA的损伤作用与致癌机理。值得注意的是，作为一种广谱毒素，colibactin的诱变毒性不仅作用于真核细胞，也能作用于原核生物从而影响微生物组。然而，目前对该毒素在天然微生物组中的功能知之甚少。

Colibactin是一种由非核糖体肽合成酶（nonribosomal peptide synthetase, NRPS）和聚酮合酶（polyketide synthases, PKS）组成的多模块“生产线”所产生的杂合NRPS/PKS化合物。成熟产物的活性α-氨基酮（α-aminoketone）结构能通过烷基化（alkylation）结合DNA分子，产生链间交联（interstrand crosslink）和双链断裂（double-strand break），从而导致细胞周期阻滞和肿瘤形成。这些NRPS/PKS的编码基因通常成簇存在于大肠杆菌基因组中。在蜜蜂的肠道中，一种专性共生菌 Frischella perrara 也包含该基因簇并且同样具有诱变活性（图1）。

图1. 蜜蜂肠道共生菌 F. perrara 基因组中包含一个与 E. coli 高度同源的colibactin基因簇（通常被称为 pks 或者 clb ）。

2026年8月24日，德克萨斯大学Nancy Moran院士组（该组博士后宋雨林为文章第一作者和共同通讯作者）与哈佛大学 Emily Balskus教授组合作在Nature Microbiology上发表了文章Colibactin produced by a honeybee gut symbiont mediates pathogen defence。研究以西方蜜蜂（ Apis mellifera ）为模式系统，利用剥夺正常微生物组 （ microbiota-deprived）或特定接种（defined-inoculated）的悉 生 ( gnotobiotic ) 蜜蜂，通过体外抑制实验、动物体内 定殖和存活率测定，以及荧光显微和流式细胞、液相色谱-质谱联用（LC–MS）、高通量测序等技术，系统揭示了colibactin作为一种武器参与天然微生物组内细菌间竞争进而影响宿主健康。

• F. perrara 对蜜蜂健康具有利与害的双重作用

为了研究共生菌 F. perrara 及其产生的colibactin对宿主的影响，作者进行了存活率测定。与未接种的对照组相比，接种 F. perrara 降低了蜜蜂的存活率，显示出该菌的定殖对蜜蜂的健康有负面影响。然而，在接种病原菌 Serratia marcescens 的条件下， F. perrara 大幅提高了存活率并且降低了病原体载量，说明 F. perrara 具有保护宿主免受病原体感染的正面作用。为了研究保护作用是不是由colibactin产生的，作者引入了一株不能产生colibactin的突变体 Δ clbB。 与野生型相比，该突变体不能有效提高蜜蜂存活率，说明保护作用依赖于 F. perrara 产生的colibactin。体外实验也表明， S. marcescens 受到colibactin的抑制。

• F. perrara 通过造成DNA损伤和激活原噬菌体抑制病原菌增殖

作者进一步研究了 F. perrara 抑制病原菌的机理。首先，作者采用了一套荧光报告系统： F. perrara 组成型表达深红色荧光（RCP），而 S. marcescens 组成型表达品红色荧光（E2C）且在受到DNA损伤时表达绿色荧光（GFP）。荧光显示 F. perrara 始终定殖于后肠前端的幽门部位，位于其它共生菌的上游位置；而 S. marcescens 在单独接种时，在肠道内均匀分布。 F. perrara WT的定殖抑制了 S. marcescens 在肠道中的增殖并且将病原菌在小肠中的分布向后段排斥或者完全清除；强烈的GFP信号说明病原菌受到了DNA损伤。而 F. perrara Δ clbB 并没有表现出这种抑制效应且没有激活 S. marcescens 的GFP表达。

Balskus组之前的研究发现，colibactin能通过产生DNA损伤而激活原噬菌体。然后，作者在 S. marcescens 受试菌株中鉴定了一个原噬菌体，其能在诱变剂丝裂霉素C（ mitomycin C, MMC ）处理时被诱导激活，表现为该原噬菌体区域较基因组上的其它区域的拷贝数大幅增加。作者通过高通量测序发现， F. perrara WT定殖后接种 S. marcescens 的肠道样品中，该原噬菌体区域被激活；而接种 F. perrara Δ clbB 或者未接种对照中，该区域未被激活。

一个有意思的现象是， F. perrara 的定殖能诱导宿主肠壁产生一种“痂”状的黑色结构。这是由于 F. perrara 能破坏肠壁且激活宿主免疫反应。 “痂” 状结构由昆虫免疫黑化反应产生（研究表明不是由colibactin造成的）。由于colibactin的性质极不稳定，目前没有方法能对其进行直接测定。作者通过 LC–MS 测定其产生过程中的副产物。在悉生蜂中， F. perrara WT定殖的样品中两种副产物 N -lauryl- d -Asn (C 16 H 30 N 2 O 4 , C12 副产物) 和 N -myristoyl- d -Asn (C 18 H 34 N 2 O 4 , C14 副产物) 显著高于 F. perrara Δ clbB 定殖的样品或者未接种对照。作者在蜂巢内收集了含天然微生物组的蜜蜂，通过肠道表型将样品分为 “痂” 状和非“痂” 状两组。“痂” 状组的两种副产物显著高于非“痂” 状组。副产物的积累间接证明了colibactin在蜜蜂肠道中的产生。

这些结果说明了 F. perrara 产生的colibactin通过造成DNA损伤而抑制病原体在蜜蜂肠道中的增殖，从而保护宿主的健康。既然 F. perrara 对病原菌有作用，那么其产生的DNA损伤压力对正常微生物组有没有影响呢？

• F. perrara 的定殖对蜜蜂肠道正常菌群的影响有 限

为了回答上述问题，作者向预先接种 F. perrara WT，Δ clbB 和未接种对照的悉生蜂中接种了一个包含9株蜜蜂主要共生菌的合成群落，并通过16S测序评估了 F. perrara 对群落不同成员的影响（结果未显示）。令人意外的是， F. perrara 的定殖和是否产生colibactin对绝大多数群落成员的丰度并没有产生显著影响。

• Colibactin的免疫基因 clbS 广泛存在于蜜蜂专性共生菌的基因组中

之前的研究已经揭示出了一个名为 clbS 的基因（编码环丙烷水解酶cyclopropane hydrolase）是colibactin的免疫基因。作者收集了跟蜜蜂肠道相关的细菌基因组，包含核心共生菌（专性存在于所有蜜蜂中）、非核心但为专性共生菌（存在于部分蜜蜂中）、非专性菌（偶尔存在于蜜蜂肠道中）、以及蜜蜂病原菌，并通过比对检索了 clbS 同源基因在这些基因组中的分布（表1）。结果发现87–98%的专性共生菌基因组中含有 clbS 同源基因。这一比例在非专性菌中大幅降低而在病原菌中为零。

表1. clbS 同源基因在蜜蜂肠道相关的细菌基因组中的分布。

作者通过体外和体内两种方法验证了 clbS 对colibactin毒性的防御作用。首先，作者克隆了不同核心共生菌的 clbS 同源基因，在大肠杆菌中利用一套能报告DNA损伤的生物发光载体系统进行了毒性测定。结果证明所有受试基因均能对colibactin起到防护作用。然后，作者对定殖于蜜蜂小肠的一株核心共生菌 Snodgrassella alvi （与 F. perrara 位置有重叠）构建了 clbS 基因敲除突变体。体内定殖实验发现 S. alvi Δ clbS 较WT受到colibactin的显著抑制，证明 clbS 在肠道内也有防护作用。

这些 结果 说明了 F. perrara 产生的colibactin在肠道中形成了选择压力，导致了 clbS 同源基因在专性共生菌中富集。这也解释了前述共生菌的合成群落未受colibactin明显影响——所有9株菌都编码了 clbS 。

图 2 . 示意图展示了 F. perrara 和colibactin对肠道内其它细菌和宿主的影响。蜜蜂微生物组定殖于后肠， F. perrara 占据了后肠前端的幽门位置，通过产生colibactin对下游群落持续产生选择压。这种筛选一方面造成了专性共生菌普遍带有抗性基因，另一方面，外源菌如条件致病菌由于缺乏抗性基因而被排除。而在没有病原菌时， F. perrara 可能由于colibactin的毒性和过度活化宿主免疫反应，造成宿主死亡率增加。

许多动物都具有独特的肠道微生物组，其中的核心菌群相互之间及与宿主之间存在着长期的共进化。本文从微生物互作，与宿主互作以及演化等角度入手，利用一个相对简单的宿主–微生物组系统，揭示出了一种广谱微生物毒素在蜜蜂肠道中起到的抗菌和筛选作用。由于在蜜蜂的生存环境中广泛存在着很多条件致病菌，这套机制对蜜蜂的生存有积极作用。文章揭示的colibactin对菌群和宿主的影响有助于进一步理解更为复杂的人肠道微生物组及其与疾病发生的关系。

此外，文中对该毒素受氧气和营养条件影响，微生物间潜在互营（cross-feeding）和宿主活性氧与抗病等方面也进行了探讨，这些发现对于理解其它共生系统里的互作关系有借鉴意义。

值得一提的是， 北卡罗来纳州立大 学Kasie Raymann教授组撰写 了 评论 文章Colibactin beyond carcinogenesis。

https://doi.org/10.1038/s41564-026-02438-9

https://doi.org/10.1038/s41564-026-02448-7

制版人： 十一

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