Epithelial-Derived Reactive Oxygen Species Enable AppBCX-Mediated Aerobic Respiration of Escherichia coli during Intestinal Inflammation

上皮衍生的活性氧能夠在腸道炎癥期間實現 AppBCX 介導的大腸桿菌有氧呼吸

來源：Chanin et al., 2020, Cell Host & Microbe 28, 780–788

 

1. 論文摘要核心內容

 

研究發現腸道炎癥期間，上皮細胞產生的活性氧（ROS）可被大腸桿菌（E. coli）的AppBCX酶系統利用：

 

核心機制：宿主NADPH氧化酶1（NOX1）產生的ROS（如H?O?）被大腸桿菌過氧化氫酶（KatE/KatG）降解為氧氣，進而支持AppBCX介導的有氧呼吸（圖2A）。

 

 

生理意義：在化學性結腸炎（DSS模型）和遺傳性結腸炎（IL-10?/?模型）中，AppBCX賦予大腸桿菌生長優勢（圖1E, 4E），而這一優勢在NOX1缺陷小鼠中消失（圖2B-C）。

 

 

 

創新點：揭示了宿主免疫反應（ROS釋放）意外促進病原體生長的“悖論”，為炎癥性腸病（IBD）中菌群失調提供了新解釋。

 

2. 研究目的

 

探究炎癥環境下宿主ROS如何重塑腸道微生物代謝，重點驗證：

 

宿主上皮細胞產生的ROS是否通過轉化為氧氣，支持大腸桿菌的AppBCX依賴性有氧呼吸？

 

旨在闡明炎癥相關菌群失調（如Enterobacteriaceae富集）的代謝基礎。

3. 研究思路

 

1.模型構建：

 

體內：

 

DSS結腸炎模型：野生型（WT）與NOX1缺陷小鼠（圖2B-C）。

 

遺傳模型：IL-10?/?小鼠加速結腸炎（圖4）。

 

體外：模擬腸道環境的黏蛋白培養基（Mucin Broth），調控氧氣與H?O?水平（圖3）。

 

2.細菌基因操作：

 

構建大腸桿菌（EcN、MP1菌株）的appC、katE、katG單/雙/三基因敲除突變體（圖1A, 圖3D-E）。

3.競爭性定植實驗：

 

野生型與突變株1:1混合接種小鼠，通過競爭指數（CI） 量化生長優勢（圖1E, 2B-E）。

4.機制驗證：

 

檢測ROS來源（上皮NOX1依賴，圖2）、氧氣生成（過氧化氫酶依賴，圖3E）、呼吸鏈調控（ArcAB通路，圖3C）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) AppBCX在炎癥腸道中的生長優勢（圖1E, 圖4E）

 

數據：

 

DSS結腸炎模型中，野生型EcN的CI顯著高于appC突變體（WT小鼠：↑3倍；NOX1缺陷鼠：無差異）。

 

IL-10?/?結腸炎模型中，MP1野生型CI高于appBC突變體（↑2.5倍）。

 

意義：首次證明AppBCX是炎癥環境下大腸桿菌生長的關鍵因子。

 

(2) 上皮NOX1是ROS來源（圖2B-C）

 

數據：

 

NOX1缺陷鼠（Nox1?/?）或上皮特異性NOXA1缺陷鼠（Noxa1????）中，AppBCX的生長優勢消失（CI≈1）。

 

意義：宿主上皮ROS直接驅動大腸桿菌的呼吸代謝重塑。

 

(3) H?O?→O?轉化支持呼吸（圖3）

 

數據：

 

體外添加H?O?（5–15 μM）增強野生型EcN生長（CI↑），但需過氧化氫酶（katE/katG）參與（圖3E）。

 

katE katG雙突變體喪失AppBCX優勢（體內圖2D，體外圖3E）。

 

意義：ROS解毒為氧氣是AppBCX呼吸的底物來源。

 

(4) 呼吸鏈調控依賴ArcAB（圖3C-D）

 

數據：

 

H?O?+硝酸鹽協同誘導appC轉錄（↑4倍），而cydA不變（圖3C）。

 

硝酸還原酶突變（nar）消除AppBCX優勢（圖3D）。

 

意義：呼吸鏈感應系統（ArcAB）整合氧化應激與電子受體信號。

 

5. 丹麥Unisense電極數據的核心意義

(1) 技術實現與方法

 

設備：Clark型氧傳感器（Unisense OX-N-14839）實時監測培養基溶解氧（方法部分）。

 

關鍵數據：

 

圖3A：厭氧培養48小時后，不同容器（微管vs燒瓶）的氧氣殘留量（微管：1.5% O?；燒瓶：0.2% O?）。

 

質量控制：通過預孵育調控初始氧濃度，模擬腸道缺氧環境。

 

(2) 科學價值

 

1.揭示物理約束影響氧氣可用性：

 

微管（低表面積/體積比）保留更多氧氣→支持殘留呼吸（圖3B）。

 

燒瓶（高表面積/體積比）氧氣接近零→嚴格厭氧（圖3E）。

2.驗證H?O?→O?轉化假說：

 

在超低氧環境（0.2% O?）中，添加H?O?仍能激活AppBCX（圖3E），排除殘留氧氣干擾，確證H?O?降解為O?是關鍵步驟。

3.量化“氧氣窗口”：

 

明確0.2–1.5% O?濃度范圍足以觸發AppBCX呼吸，為體內研究提供參考閾值。

 

(3) 研究意義

 

不可替代性：傳統方法無法實時監測納摩爾級氧氣變化，Unisense電極是鏈接宿主ROS與細菌呼吸代謝的關鍵工具。

 

轉化價值：為靶向菌群代謝（如抑制AppBCX）干預IBD提供理論依據。

 

6. 研究結論

 

1.宿主-微生物互作新范式：宿主炎癥ROS→被細菌解毒為O?→支持病原體有氧呼吸→促進菌群失調（圖2A）。

2.靶點特異性：AppBCX（而非CydABX）是炎癥環境下核心呼吸酶，依賴上皮NOX1及細菌過氧化氫酶。

3.治療啟示：抑制AppBCX或阻斷ROS-O?轉化或可緩解炎癥相關菌群失衡。

 

7. 核心圖示

 

[炎癥] → [上皮NOX1釋放ROS] → [細菌KatE/KatG將H?O?→O?] → [O?支持AppBCX呼吸] → [大腸桿菌生長優勢]

 

Unisense電極：精準量化O?動態，驗證代謝轉化鏈

 

研究啟示：

 

Unisense電極技術通過高分辨率氧監測，揭示了宿主-微生物代謝對話的微觀動態，為研究炎癥環境中微生物呼吸適應性設立了新標準。未來可拓展至其他氣體分子（如NO、H?S）在菌群生態中的作用研究。