量化人類腸道菌種對艱難梭菌長期生長的影響（五）
根據推斷的gLV參數，兩種交互網絡都顯示出頻繁的負交互作用，符合之前的研究發現(圖4B和4C)。與祖先株(18%)相比，進化株(25%)存在更多的正交互作用。值得注意的是，15%的推斷交互作用具有不一致的符號。祖先株和進化株艱難梭菌株之間的種間交互系數顯示出中度的相關性(皮爾遜R=0.59，p=1.8E?06；圖4D和S12D)。相比之下，作為參考，不同遺傳背景的艱難梭菌株之間種間交互作用的差異不頻繁(所有艱難梭菌株對之間的皮爾遜R值為0.81–0.89，p=3.4E?14至7.6E?20)。這一發現突顯了艱難梭菌代謝基因中兩個關鍵單點突變對人體腸道微生物種間交互作用的重大影響。例如，CS和CH對祖先株的抑制作用顯著大于進化株。由于CS和CH在我們的培養基中顯著消耗了脯氨酸(圖S6B)，因此與艱難梭菌代謝生態位的改變相比，祖先株可能與CS和CH之間的資源競爭程度高于進化株。
艱難梭菌的演化適應間接影響了其他群體成員之間的配對交互作用(圖4B–4D)，這表明網絡中可能存在更高階交互作用(HOI)。為了直接捕捉潛在的HOI，我們使用了一種修改的gLV模型，其中包含群體成員之間的配對和第三階交互作用(gLV-HOI)進行數據擬合(圖S12E、S13C和S13D；STAR方法)。通過20倍交叉驗證，gLV-HOI顯示出高預測性能(皮爾遜R=0.93–0.98，p<10E?05)，但未能在基于相關系數z檢驗的標準gLV模型中獲得更優表現(表S12；圖S12C)。這表明群落動態主要由二階交互作用驅動。gLV-HOI的參數數量大于標準gLV模型，因此使用有限實驗數據進行參數估計更加挑戰。為了進一步研究HOI項的貢獻，我們使用套索回歸(STAR方法)評估了gLV-HOI的預測性能。套索回歸使用L1正則化，這會懲罰參數估計的絕對值總和(L1范數)，促進模型的稀疏性。相比之下，貝葉斯推斷中的正態先驗引入L2正則化，懲罰參數與先驗均值之間的平方差，從而實現參數估計的平滑收縮，而不是驅動參數趨于零。在不顯著改變預測性能的情況下，正則化系數的最大值迫使所有HOI參數為零(圖S14A–S14D)。這意味著在該數據集上，gLV模型的預測性能不會因HOI項而改善。然而，我們不能排除gLV-HOI在捕捉社區潛在HOI交互作用方面不夠靈活的可能性。總之，艱難梭菌關鍵的演化適應導致其代謝生態位的顯著改變，給人體腸道群落配對交互作用的推斷帶來了重大改動(圖4B–4D)。
演化適應的艱難梭菌菌株在哺乳動物腸道中減輕了疾病嚴重程度
氨基酸如脯氨酸已被證明能夠調節艱難梭菌毒素的體外生成，并影響哺乳動物腸道的定植。為了確定艱難梭菌的關鍵演化適應是否會改變毒素的生成，我們通過酶聯免疫吸附檢測法(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)在培養24小時后進行了毒素表達分析。演化適應的艱難梭菌菌株顯示出顯著較低的毒素濃度和產量(濃度與OD600之比)，相比于祖先菌株，在多種氨基酸濃度下均如此(Figures S15A和S15B)。
為了研究演化適應的艱難梭菌菌株是否影響疾病的嚴重程度，我們利用小鼠模型，將演化適應的或祖先的艱難梭菌菌株通過口服灌胃引入無菌小鼠體內，實驗中部分小鼠沒有人體腸道菌群（見圖5A）。具體而言，小鼠分別通過口服灌胃接種單一菌群（PV），另一部分小鼠則接種由七種人體腸道菌群組成的菌群（CS,CH,DP,BT,PV,BU,CA），這些菌群在我們的長期培養實驗和菌群特性分析中均有應用（見圖1和4）。這些菌群在挑戰前的8天被引入，旨在促進小鼠免疫系統的發育和菌群定植。在單獨挑戰艱難梭菌的小鼠組和帶有七種菌群的小鼠組中，相較于祖先菌株，演化適應的艱難梭菌菌株表現出顯著較低的豐度和毒素濃度。這種艱難梭菌的定殖減少可能導致毒素生成較少，因為毒素產量（毒素量除以艱難梭菌菌落形成單位[colony-forming unit,CFU]）在兩個組之間相似（見圖S15D）。這種與體外實驗中的毒素產量不一致（見圖S15B）的現象表明，毒素在體內和體外的調控機制存在差異。為了更全面地探討祖先或演化適應的艱難梭菌菌株的影響，我們聚合了所有處理組的數據，分析微生物群落組成的變化（見圖S15C）。在所有微生物群落條件下，挑戰演化適應的艱難梭菌的小鼠顯示出更高的存活率，并顯著低于挑戰祖先菌株的小鼠，相對體重減輕盡管所有小鼠在最初幾天體重均顯示出下降趨勢（見圖5B–5D和S15C）。
圖5|演化適應的艱難梭菌菌株緩解了小鼠的疾病嚴重性
(A)小鼠實驗示意圖。小鼠在引入原始或演化適應的艱難梭菌菌株前，分別被挑戰于沒有任何腸道菌群干預(僅艱難梭菌組)或通過PV菌株或7種腸道菌群組合(CS、CH、DP、BT、PV、BU和CA)進行口服灌胃8天。
(B–D)小鼠在僅接受艱難梭菌(n=4)(B)、PV與艱難梭菌(n=4)(C)以及7種腸道菌群與艱難梭菌(n=4)(D)口服灌胃后，存活百分比、初始體重百分比、艱難梭菌豐度以及艱難梭菌毒素濃度(每mg盲腸內容物)。在存活率上，log-rank檢驗顯示了顯著的p值。在初始體重百分比上，線條表示該組所有小鼠的平均值。體重下降至75%以下的小鼠會被淘汰。在艱難梭菌豐度方面，通過CFU計數法確定值，該方法使用了盲腸內容(存活)和盲腸內容(死亡)進行艱難梭菌選擇性培養基的檢測。在盲腸內容中的艱難梭菌毒素濃度方面，數據以平均值±標準差表示。由于在多個治療組中，小鼠在第3天死亡，因此在第4天之后的數據點比總的實驗小鼠數量少。因此，體重(%)和艱難梭菌豐度的統計檢驗僅在數據完整的第1到第3天進行。對于體重(%)、艱難梭菌豐度和艱難梭菌毒素濃度的圖示，使用兩側的未配對t檢驗顯示了顯著的p值。部分圖表由Biorender生成。
PV單菌群顯著降低了祖先艱難梭菌菌株的毒素濃度，使其與演化菌株達到相似水平（見圖5B、5C和S15E）。同時，PV顯著增加了演化菌株艱難梭菌菌株在某些時間點的定殖（見圖S15F），導致祖先菌株和演化菌株的艱難梭菌菌株在定殖方面達到相似水平（見圖5B和5C）。根據16S rRNA基因測序，PV在挑戰演化菌株的小鼠中相對豐度較高，而與祖先菌株相比（～77%對60%，7天后）（見圖S15G）。由于祖先菌株和演化菌株的絕對豐度在CFU計數法下相似（見圖5C），這一結果表明，PV在攜帶演化菌株的小鼠中的豐度高于攜帶祖先菌株的小鼠。因此，這些數據表明，PV和艱難梭菌菌株之間存在雙向互動，影響小鼠腸道中的定殖能力和毒素生產。
在口服七種腸道菌群的小鼠中，存活率顯著低于僅攜帶艱難梭菌和PV單菌群的小鼠組（見圖5D）。這表明，七種腸道菌群顯著增加了艱難梭菌的疾病嚴重性。挑戰后第三天，在攜帶七種腸道菌群的小鼠中的祖先艱難梭菌菌株豐度顯著高于其他組（p值=0.02）（見圖5B–5D）。PV在攜帶祖先或演化菌株的小鼠中顯示出最高的相對豐度（～50%，接種幾天后，見圖S15H）。由于PV單菌群定殖未顯著改變疾病嚴重性，因此攜帶七種腸道菌群的小鼠相比其他組觀察到的疾病嚴重性增加可能是由其他菌群的存在、PV與艱難梭菌的交互作用變化或宿主-微生物交互作用導致的。總之，在所有條件下，與祖先菌株相比，演化菌株艱難梭菌菌株在小鼠腸道中顯示出顯著降低的定殖能力和疾病的嚴重性（見圖5B–5D和S15C）。
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