编译：微科盟R. A，编辑：微科盟汤貝、江舜尧。
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导读人口腔中有超过700种不同的微生物，它们产生多种生物活性代谢物，这些代谢物对于维持口腔健康至关重要。在过去二十年中，口腔微生物组及其在健康和疾病中的重要性出现了新的见解，这主要是由于利用下一代测序技术发现了新的口腔微生物物种。这一进展彻底改变了口腔内与不同生态位和健康/疾病状况有关的独特微生物概况，以及口腔细菌与系统性疾病的关系。然而，在鉴别和表征独特的口腔微生物代谢物方面所做的工作较少，而这些代谢物在维持各种口腔微生物物种与其人类宿主之间的平衡中发挥着关键作用。本文讨论：不同口腔微生物群产生的可以促进健康或有引发疾病的重要代谢物。最终，作者阐明了基因组学和基因组挖掘的进展如何能够提供一个高通量平台，用以发现来自人类口腔微生物组的新型生物活性代谢物，以应对新出现的传染性和形态学性疾病。
原名：Metabolites of the oral microbiome: important mediators of multikingdom interactions
译名：口腔微生物组的代谢物：多界相互作用的重要介质
期刊：FEMS Microbiology Reviews
IF：16.408
发表时间：2021.7.6
通讯作者：Abdelahhad Barbour
通讯作者单位：加拿大多伦多大学牙科系
2.1 可发酵碳水化合物衍生的代谢产物
2.2 短链脂肪酸（SCFAs）在疾病中的作用
3.1 酸性氨基酸
3.2 碱性氨基酸
3.3芳香族氨基酸
3.4含硫氨基酸
5.1细菌素
5.2 塞克肽
5.3 信号转导与抗癌肽
5.4 聚酮类非核糖体代谢物(PKS-NRPS)
6 基因组挖掘是发现共生口腔微生物新代谢产物的有力工具
分子生物学的进展，包括下一代测序(NGS)、宏基因组学、转录组学、代谢组学和蛋白质组分析(HMPRNC 2019)，彻底改变了微生物学研究，产生了高通量的基因组数据，以支持以微生物组为中心的流行病学、生理学和细胞学研究。这一进展导致了对人类肠道微生物角色塑造的更详细的研究。虽然微生物群指的是众多的活着的微生物，包括细菌、真菌、病毒和原生动物，它们居住在一个特定的生态位，微生物群落不仅包括微生物群落，而且还包括微生物在一个特定环境中的所有集体基因组和遗传物质，以及它们产生的代谢物。因此，除了确定存在于宿主各种粘膜生态位中的特定微生物群以外，研究人员还开始了解这些微生物如何发出信号并相互作用，以共存和维护宿主健康，并影响包括肠道炎症、癌症和心血管疾病在内的疾病状态。口腔微生物组的研究主要集中在利用口腔标本的16S rRNA基因测序或鸟枪法宏基因组测序的微生物物种多样性和相对物种丰度。这些技术产生足够的数据，以确定居住在不同口腔部位的微生物群落(如：颊粘膜、舌头、咽喉、龈下和龈上)。然而，人们对口腔微生物群产生的分子物质及其编码的生物合成基因簇以及这些分子如何在维持健康或反过来促进疾病进展方面发挥作用的关注较少。人类口腔微生物组是生物技术价值的代谢产物的丰富来源，其中一些已经作为促进健康的应用而商业化。正常菌群的天然代谢物作为健康和疾病介质发挥着重要作用，在医药和生物技术工业中作为抗菌剂、抗真菌剂和抗癌剂加以利用。因此，从正常菌群中提取的新型活性代谢物有很大的突破和发现潜力。这方面的一个例子是新发现的由路邓葡萄球菌产生的抗生素lugdunin，这是一种居住在鼻腔的共生生物。这种新型含噻唑烷的环肽被证明对威胁健康的超级细菌耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有强有力的抑制活性。相比之下，一些口腔种类，如：Neisseria spp.产生基因毒性的细菌代谢物(例如：乙醛)，这些代谢物具有促进肿瘤生长的功能，可令宿主细胞产生突变，或妨碍正常的抗肿瘤免疫反应。本文综述了目前在人类宿主口腔微生物组中发现的微生物代谢物的研究进展，重点介绍了它们在健康和疾病中的作用和功能。这些代谢物包括抗菌素(细菌素)、抗癌肽、有机酸和脂肪酸。我们还强调了推测的口腔病原体的独特代谢产物及其在疾病发生和发展中的作用。最后，我们提供了深入的基因组挖掘作为一个成功的方法，以寻找新的口服微生物代谢物。饮食中大量营养素(碳水化合物、蛋白质和脂肪)的分解始于口腔。摄取的生物分子的复杂结构主要被宿主和微生物提供的消化酶破坏。这种降解释放了这些复杂分子的相互关联的构建块，然后这些复杂分子扩散进入口腔生物膜并进行进一步的新陈代谢。这些有序的新陈代谢过程产生了一系列广泛的新陈代谢终产物，这些终产物能够影响当地的生态环境和口腔微环境的生物学，并且还对进入肠道的消化道有进一步的影响。这些事件的影响可能是最明显的微生物最终产物代谢物，短链脂肪酸(SCFAs)的研究。碳水化合物的发酵会产生SCFAs;然而，碳水化合物并不是唯一产生SCFAs的底物，因为其他物质根据其可用性在不同程度上被利用来产生SCFAs。膳食碳水化合物的糖缀结构，包括多糖、寡糖和抗性淀粉，最初被一组称为碳水化合物活性酶(CAZymes)的酶解构成可转移到细菌细胞的成分。肠粘膜是CAZymes最丰富的部位，也就是糖代谢的主要部位，这一点并不奇怪，事实上口腔是这些酶的第二丰富来源，这突出了口头消化在碳水化合物发酵中的重要性。除了饮食来源，口腔细菌可以利用来自唾液粘蛋白的9碳酸性糖，唾液酸，作为营养来源，通过唾液酸化酶将其从蛋白质部分中分离出来。随着碳水化合物的水解和五碳(C5)或六碳(C6)单糖的活化，口腔细菌通过磷酸戊糖途径(C5)或糖酵解途径(C6)进一步加工这些分子，产生丙酮酸，并随后产生ATP。一旦产生，其他分支途径将丙酮酸转化为SCFAs，包括乳酸盐、乙酸盐、丁酸盐、丙酸盐和异丁酸盐，作为最终产物。这些SCFAs的抗菌潜力可以决定口腔共居者之间的关系，无论是相互的还是竞争的性质。这些SCFAs可以塑造口腔微生物组，有利于某些细菌种类的流行，并对其他细菌有毒性。例如，膳食中碳水化合物摄入量过高导致牙龈上菌斑中的糖溶性产酸细菌扩散，损害了其他菌株。这最终导致建立一个增强龋齿潜能的生态系统促进牙齿表面的脱矿，导致空洞龋病变。和碳水化合物发酵一样，口腔细菌也发酵氨基酸产生SCFAs。当宿主和细菌的蛋白酶和肽酶将蛋白质降解为多肽和氨基酸，然后将其去氨基化并转化为可溶性脂肪酸时，这个过程就开始了。这些蛋白质基质在龈下细菌环境中非常突出，其中营养主要依赖于来自龈沟液和缺损上皮细胞的糖蛋白、蛋白质、肽和氨基酸。然而，与单糖相比，将氨基酸纳入生化途径所需的复杂的相互转化步骤限制了口腔细菌更大规模利用氨基酸的能力。此外，氨基酸的发酵反应产生了一系列除SCFAs以外的化合物，这些将在后面讨论(图1)。龈下生态位中的SCFAs重组了生物膜的形态，扩大了SCFAs的产生量。龈下生物膜中SCFAs的作用与龈上生物膜的作用有很大不同，因为众所周知SCFAs具有细胞毒性作用并诱发组织炎症，因此与牙周炎症密切相关。这可能对口腔上皮细胞有害影响，因为SCFAs的毫克浓度可以促进这些细胞的凋亡、自噬和焦亡，影响它们的活力。
图1. 口腔微生物发酵碳水化合物和蛋白质的初级代谢产物。进入口腔的碳水化合物被多种宿主及多糖酶和细菌糖苷酶水解为寡糖、双糖和单糖。口腔微生物群利用两种类型的碳水化合物转运系统: 依赖于磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移酶系统和结合蛋白转运系统。生成的单糖底物通过戊糖-磷酸或糖酵解途径降解形成PEP(1)。这个过程产生丙酮酸和生成两个 NADH。该SCFAs、醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐可通过多种途径从PEP或丙酮酸中分离得到。通过同型乳酸发酵从丙酮酸产生乳酸，导致乳酸的产生，乳酸是产酸性变形链球菌(一种可疑的龋齿病原体)糖酵解的主要最终产物(2)。细菌是口腔中重要的厌氧菌之一，近年来发现它们能利用乳酸盐将硝酸盐(NO3-)转化为亚硝酸盐(NO2-)，从而抑制变形链球菌的生长(3)。口腔微生物的丙酮酸发酵也可以产生其他代谢物，如丁酸盐(被发现抑制细胞因子表达)(4)和乙醛(干扰 DNA 修复)(5)。丙酮酸异乳酸发酵可以产生甲酸盐，这些甲酸盐被牙周炎相关细菌消耗以建立定殖(6)。琥珀酸可以通过延胡索酸还原酶途径从PEP中衍生出来，并且可以被一些口腔细菌进一步转化为丙酸。来自食物和唾液粘蛋白的蛋白质被宿主和口腔细菌的蛋白酶和内肽酶消化，产生各种氨基酸(8)。口腔细菌可以通过降解途径利用这些小分子产生乙酸酯(Ac)、丙酸酯(Pr)和丁酸酯(Bu)。精氨酸可以通过精氨酸脱亚胺酶转化为瓜氨酸(Cit)，然后降解为鸟氨酸(Orn)。许多链球菌和放线菌共享这一途径。芳香族氨基酸苯丙氨酸和色氨酸分别被代谢成苯乙酸(PheAce)和粪臭素(Ska)。支链氨基酸缬氨酸和亮氨酸分别代谢形成支链脂肪酸异丁酸(isoBu)和异戊酸(isoVal)。含硫氨基酸胱氨酸(Cys)和蛋氨酸(Met)分别代谢为乙酸和丙酸。
许多口腔疾病的发展主要是由构成口腔生物膜的细菌的代谢活动驱动的，并可能由于共生微生物的过度生长而发生。外在因素，主要是那些影响底物可用性的因素，改变了口腔环境，使得病原菌在竞争中胜过那些保持健康的人，从而促进了疾病的发展。如上文所述，口腔细菌参与蛀牙取决于代谢途径，涉及碳水化合物和SCFAs的摄取和代谢，包括乳酸和醋酸，它们降低pH值，使更多的产酸细菌茁壮成长。由此产生的酸性条件向前者转移平均脱矿和再矿化过程，导致龋病变。乳酸是参与这一过程的主要酸之一。研究最多的致龋口腔细菌属，链球菌和Lactobacillus，是著名的乳酸生产者。在一个人源化的同卵双胞胎小鼠模型中，在活跃龋组的唾液生物膜(体外)中检测到较高水平的乳酸，表明其在致龋过程中的重要性。另一方面，双歧杆菌和金龟子等细菌的致病性依赖于醋酸的产生。这两种物种都是大量的醋酸生产者，它们都能避免氟化物诱导的糖酵解抑制。虽然氟化物能抑制对糖代谢很重要的糖酵解酶烯醇化酶，但它对这些物种正常糖酵解的抑制作用比其他致龋细菌如变形链球菌要弱。乳酸也可能在免疫细胞重编程中发挥作用，以支持生物膜诱导炎症的持久性而不是限制性的方式。最近的观察表明，人工关节感染中金黄色葡萄球菌产生的乳酸能抑制组蛋白脱乙酰化酶11(HDAC11)，引起表观遗传变化。这些变化增加了巨噬细胞中IL-10的转录，促使它们采取抗炎的功能，使炎症持续存在。因此，一些证据表明，产生乳酸的金黄色葡萄球菌可能是最早的定居者之一，并且是牙种植体周围炎症的常见病原体。如果是这样，类似的乳酸相关机制可能牵涉到金黄色葡萄球菌驱动的牙种植病理学。事实上，越来越多的证据表明，可能与人工关节感染中观察到的相似，因为种植牙患者的白细胞产生较高的IL-10。此外，与健康的植入部位相比，在植体牙周炎部位的牙龈组织样本中，IL-10的负调节因子mir-27a的表达被发现下调。此外，抑制Il10基因沉默者的IL-10阳性调节因子miR-145，HDAC11，被发现显著上调。由于这种机制与上述的相似，可以推测，由普遍存在的金黄色葡萄球菌所产生的乳酸，可能具有与人工关节感染中观察到的相同的IL-10促进能力; 然而，需要进一步的研究来澄清这种关系的性质。包括丁酸酯在内的SCFAs也与牙周疾病发病机制的许多方面有关。从生物膜形成的最初阶段开始，丁酸盐刺激了早期结肠放线菌的依赖性菌落定植，并有助于生物膜的显著生长。随着其他细菌在致病过程中继续填充生物膜，普氏菌、连翘、中间普氏杆菌、核梭杆菌和齿状密螺旋体等丁酸盐产生菌继续扩大。此外，形成生物膜的细菌表现出较高的产生SCFAs的倾向，这在假定的牙周致病菌F. nucleatum中很明显。与浮游生物相比，这种细菌在形成生物膜时，7种与丁酸产生有关的酶中有6种有差异表达，这表明在斑块形成过程中丁酸作为毒力因子对这种细菌的重要性。除了对上皮屏障的完整性有害外，丁酸盐还能影响对牙周炎相关细菌的适当免疫反应的增强。丁酸钠可以降低细胞间粘附分子-1(
ICAM-1
)的表达，抑制免疫细胞的招募和迁移。此外，通过调节炎症介质中性粒细胞的产生和抑制它们的吞噬能力，它被发现会削弱中性粒细胞的效应功能，中性粒细胞是口腔中一种重要的宿主免疫细胞类型。总之，这些效应阻止了病原菌的控制，有利于疾病的发展。前面提到的机制一起来支持癌症的发展和进展。产酸和酸尿物种可以支持恶性细胞的侵袭和转移，通过产酸促进肿瘤生成偏向于酸性环境。一些体外研究已经证实了这些酸性条件在增强肿瘤细胞转移能力方面的重要性。
Hooper
和他的同事对从口腔鳞状细胞癌中分离出的细菌种类进行了鉴定，发现这些微生物绝大多数是糖分解和耐酸的。此外，SCFAs通过吸引髓系来源的抑制性细胞来干扰对肿瘤细胞的适当免疫反应，从而在肿瘤微环境中扩大这种免疫抑制性细胞群。正如前面提到的，另一方面，丁酸被发现抑制细胞因子诱导的细胞间粘附分子CAM-1在口腔鳞状细胞癌细胞上的表达。这种粘附分子的重要性在于它能够诱导白细胞向受病理影响的部位转移，并抑制巨噬细胞向促进M2表型的肿瘤极化。因此，丁酸可以改变对癌细胞的免疫反应，并促进肿瘤的容许环境(图2)。也许口腔疾病中SCFAs的增加可以支持肿瘤发展的另一个机制是通过重新激活与恶性肿瘤有关的潜伏病毒。例如，已经发现牙周炎相关细菌产生的丁酸、丙酸、异戊酸和异丁酸能够重新激活卡波西肉瘤疱疹病毒(KSHV)。这种效应是通过抑制组蛋白三甲基化(HDAC)和几个表观遗传调节因子(EZH2，SUV39H1)的下调来调节的。因此，KSHV感染的细胞暴露于SCFAs表现出组蛋白高乙酰化，染色质反式激活。因此，KSHV裂解重新激活的趋势可以预期在患有牙周疾病的个体中更高，更有可能发展成为口腔卡波西氏肉瘤。同样，丁酸盐也能激活人类疱疹病毒第四型，这是一个众所周知的淋巴瘤发生的危险因素。因此，通过控制口腔细菌产生SCFAs来维持病毒潜伏期，可以对控制病毒性恶性肿瘤的发展产生有益的效果。
图2. SCFAs在疾病中的作用。(1)在恶劣生物条件下，口腔生物膜种群向产酸细菌转移，产生作为碳水化合物代谢终产物的SCFAs。由此产生的酸性和低pH值条件支持了致龋细菌的定殖，并与牙周疾病的发病机制的各个方面有关。(2)丁酸抑制细胞因子诱导的细胞间粘附分子-1(ICAM-1)在口腔鳞癌细胞中的表达。(3)细胞间粘附分子-1(ICAM-1)受抑制后，白细胞向病理受累部位的转移减少，从而抑制了对癌细胞的免疫应答。(4)牙周炎相关细菌(包括丁酸、丙酸、异戊酸和异丁酸)产生的SCFAs下调表观遗传调节蛋白(EZH2，SUV39H1)(5)和抑制组蛋白脱乙酰酶(HDAC)，导致组蛋白乙酰化(6)。这导致KSHV(7)和EBV(8)的激活。这种病毒激活可以分别导致卡波西氏肉瘤(9)和淋巴瘤(10)的发展。
口腔里不断地沐浴着富含营养的含氮化合物的生物液体，包括蛋白质、多肽和氨基酸。单是唾液分泌物的蛋白质组学分析就产生了超过1000种蛋白质和多肽，而在龈沟液(GCF)中检测到了数百种蛋白质和多肽。在理解口腔蛋白水解细菌如何利用这些化合物生产多种衍生物方面已经取得了进展。分解这些分子的生化途径的复杂性使得它们不适合作为底物，限制了细菌对许多氨基酸的利用。然而，这些底物可以加工产生一系列的生物活性副产品，其中许多具有显着的毒性。蛋白酶最初的蛋白质降解成肽和氨基酸允许它们随后的细胞摄取口腔细菌。特异性的细菌蛋白酶已经被证实与局部和系统的疾病有关。例如，牙龈卟啉单胞菌释放的半胱氨酸蛋白酶疼痛在牙龈卟啉单胞菌支持的动脉粥样硬化性疾病中起作用。一旦这些与疾病相关的口腔细菌进入血液循环，它们就能释放这些蛋白酶，提高局部生物活性过敏毒素补体片段5a(C5a)的水平。此外，他们通过降解关键的血浆脂质调节剂-E型载脂蛋白质来调节血液中的脂蛋白水平，从而促进血管中脂蛋白的积累。不同于糖代谢，氨基酸的利用在龈下细菌生态位中更为普遍，环境因素支持这种处理。随着牙龈裂隙的逐渐加深和牙周病变中牙袋的形成，以及饮食中糖的摄入受到限制，牙周病变的条件越来越适合蛋白质的分解。在这些深深的裂缝中，氨基酸降解细菌(如：Fusobacterium)产生的化合物会将pH值提高到接近中性甚至碱性的水平。碱性环境允许酸敏感物种的定植，包括牙龈卟啉单胞菌，这也取决于它们作为毒力因子的蛋白水解活性，以触发炎症反应。此外，酸性、碱性、芳香和含硫氨基酸代谢物可能对宿主产生负面影响，产生促炎症和细胞毒作用，下文将进一步讨论。口腔细菌在利用不同氨基酸的代谢途径上有所不同。例如，谷氨酸，牙科生物膜中最丰富的氨基酸，很容易被几种口腔细菌代谢成SCFAs，即丁酸。同时，牙龈卟啉单胞菌和中间卟啉单胞菌处理天冬氨酸生产醋酸和丙酸。这些分子的代谢增加可能导致牙周病的发展。在怀孕期间，龈下微生物代谢特征显示，这两种氨基酸的代谢都得到了加强，促进了在怀孕期间观察到的夸大的牙周反应，因为这些细胞毒性终产物的过度生产可以诱发组织炎症。其他的氨基酸，如精氨酸，可以从饮食中提供，也可以从瓜氨酸通过从头合成在体内产生。精氨酸分解细菌利用这种氨基酸主要通过一系列被称为精氨酸脱亚胺酶系统(ADS)的反应，生成鸟氨酸和瓜氨酸，并释放其他产物，如CO2、ATP和氨。这一过程产生的碱度可以中和糖代谢衍生的酸化。实际上，对患龋儿童的ADS活动监测显示，龋损的形成与较低的精氨酸降解能力有关。这种现象可以用ADS产生的氨能中和糖酵解脱盐酸，促进牙齿保健菌群的建立来解释。因此，使用ADS+菌株作为益生菌，并在口腔保健产品的配方中加入精氨酸，可能是预防和管理龋齿的一个有希望的方法。这种应用是通过评估8%精氨酸牙膏的精氨酸分解和糖化作用来测试的。正如预期的那样，这种牙膏中显著水平的精氨酸提高了使用者唾液中的精氨酸分解能力，而唾液中的蔗糖代谢显著下降。在口腔癌方面，用口服产碱物质，如戈登链球菌和放线菌等，富集口腔环境，具有强有力的精氨酸代谢活性，可以抵消酸度，限制产酸细菌的扩散，从而阻断其促癌活性。这种机制被认为是阻止或破坏致病性口腔生物膜的多模式治疗方法的一部分。虽然精氨酸代谢的影响主要是有益于口腔微生物组，但这不是呼吸道病原体的情况。口服细菌产生的代谢产物鸟氨酸可以进一步脱羧生成多胺，增加毒性和支持呼吸道病原体的存活。最近的一项研究报道，口服氨基酸代谢产物，包括鸟氨酸，可能支持机会性呼吸道病原体绿脓杆菌的致病性。厌氧革兰氏阴性菌，包括中间芳香族氨基酸、核卟啉菌和牙龈卟啉菌对色氨酸的腐败降解能产生一系列有毒的吲哚类和酚类化合物。以色氨酸为原料，通过色氨酸酶的分解代谢合成吲哚衍生物。另一方面，粪臭素是通过一系列反应合成的，其中吲哚丙酮酸和吲哚乙酸为中间体。吲哚和粪臭素都对疾病的发展有实质性的影响，细菌产生这些代谢物与几种情况有关。此外，这些化合物，特别是粪臭素，是有气味的，具有固体排泄物一样的气味。因此，他们可能有助于口臭(也称为口臭)。虽然不是一个严重的健康问题，许多与口臭有关的细菌也与牙周疾病和口腔癌有关。芳香族氨基酸代谢物可引致癌症。他们的癌前期活动是通过激活配体激活的转录因子，芳香烃受体(AHR)。这种转录因子在正常条件下被来自环境或微生物的配体通过色氨酸或花生四烯酸代谢途径激活。不受控制的AHR激活可对宿主细胞产生有害影响，据报道支持肿瘤形成。在这方面，口腔微生物样本采自口腔鳞癌及其邻近粘膜显示色氨酸酶活性增强。它能催化色氨酸的降解，生成吲哚、丙酮酸和铵等衍生物，进一步代谢为AHR的激动剂。事实上，来自牙龈卟啉单胞菌的AHR配体已经被发现可以调节口腔鳞癌细胞中AHR转录因子。结果表明，它们扩大了ALDH表达细胞的数量，迁移能力显著提高。同样，培养早期口腔结肠链球菌口腔上皮细胞可以导致AHR的激活，这是基于3倍增加的CYP1A1 mRNA水平，被认为是AHR激活的标志基因。另外值得注意的是，与AHR相关的信号通路可以改变局部免疫细胞的发育和功能。AHR活化促进巨噬细胞T细胞优先分化为Foxp3+ Treg和Th17细胞，并在巨噬细胞中起抗炎因子的作用。因此，AHR信号转导可以作为一把双刃剑，具有潜在的促炎作用和抗炎作用。在自身免疫性疾病异位性皮肤炎(AD)中，可以观察到口腔微生物组多样性的变化，特别是诱发炎症免疫反应的已知属的数量减少。在一致性方面，在这些AD修饰的细菌群落中发现了色氨酸代谢的富集，这表明与口腔微生物群失调相关的代谢物可以抑制皮肤炎症，从而产生 AD的表现。除了色氨酸，苯丙氨酸通过氧化还原反应分解代谢可以转化为碱性化合物苯乙酸。通过调节口腔生物膜的pH值，苯丙氨酸代谢可以帮助限制龋齿的形成。相反，牙周炎相关的细菌需要苯丙氨酸来生长和产生苯乙酸，这是与牙周疾病的临床症状密切相关的。更高浓度的这些酚类化合物也被提出来干扰典型的味觉，但为了确认，还需要进一步的研究。按照芳香族氨基酸的模式，来自含硫氨基酸的代谢物在口腔内部会产生难闻的气味。硫化氢是一种挥发性硫化合物，是半胱氨酸和蛋氨酸蛋白水解的重要代谢产物。厌氧革兰氏阴性菌产生这种形成口臭的气体，革兰氏阳性微生物也可以通过切断唾液糖蛋白的碳水化合物侧链间接产生H2S。负责产生H2S的共生细菌通常保持在低水平；然而，与口腔疾病相关的口腔微生物负荷增加导致整体水平升高。产生的过量H2S会放大炎症，从而促成牙周疾病的发病机制。一种可能的解释是H2S能够触发白细胞释放炎症细胞因子IL-1β和IL-18，从而加剧炎症反应。H2S的免疫调节功能表明它可能与过多的口腔疾病有关。它可以通过调节 TET-家族甲基胞嘧啶双加氧酶的表达来调控T细胞介导的免疫应答。这些触发了5-甲基胞嘧啶向5-羟甲基胞嘧啶的汇聚，导致Treg细胞特有的低甲基化模式和稳定Foxp3表达。这种增强的调节蛋白倾向的免疫反应可能潜在地影响抗癌免疫反应，因为这种细胞亚群已知能抑制抗肿瘤免疫。H2S还能激活口腔癌细胞中的COX2、AKT和ERK1/2通路，激活程度取决于H2S的剂量，促进口腔癌细胞的增殖。有鉴于此，H2S 可能成为肿瘤治疗的潜在靶点，以增强口腔癌细胞的抗肿瘤免疫应答，抑制H2S介导的增殖能力。富含脂肪的饮食会诱发口腔微生物群的改变，从而倾向于增加与牙周炎相关的细菌，如F. nucleatum和P. intermedia。反过来，这些微生物参与脂肪酶的产生，促进脂肪的主要消化。然而，来自特定口腔病原体的脂肪酶除了具有脂溶解功能外，还具有其他功能。例如，金黄色葡萄球菌分泌的甘油酯水解酶(Geh)是这种微生物的重要毒力因子，除了常规的酶促作用外，还具有免疫调节功能。通过灭活金黄色葡萄球菌脂蛋白，这种病原体可以避免Toll样受体介导的免疫识别，从而允许它定居并触发口腔感染。一旦代谢完毕，一些脂质代谢物就会产生致病性，例如血链球菌的胆碱代谢产物三甲胺(TMA)，它会在肝脏内连续转化为氧化三甲胺。作为唯一形成TMA的口腔细菌，血红链球菌可以增强肠道微生物组在 TMA 加速动脉粥样硬化形成中的作用。血清中增加的TMAO水平可以直接破坏胆固醇逆向运输过程，并增加泡沫细胞的形成。同时，微生物群诱导的牙周疾病对血清脂质代谢控制产生负面影响，导致毒力因子异常血症。如前所述，牙龈疼痛降解关键的血浆脂质调节剂，
ApoE
，负责促进清除富含甘油三酯的脂蛋白和促进细胞胆固醇外流。这种由牙龈疼痛介导的载脂蛋白断裂导致构象改变，阻碍其受体的相互作用，从而促进血管中脂蛋白的积累。这些事件可以共同改变牙周炎患者的脂质状况。已经发现口腔微生物群的特定成员具有某些特征，使其能够迁移和移植胎儿-胎盘单元，从而导致感染。对胎盘微生物群落的代谢途径进行了绘图，发现有绒毛膜羊膜炎、绒毛膜和羊膜细菌感染的胎儿周围的胎儿患有早产，胎盘微生物群落的代谢途径显著增加了甘油磷脂代谢。由于口腔细菌和胎盘细菌群落之间的相似性，这种新陈代谢的变化与口腔非生物群落中观察到的相似是不足为奇的。这些发现的重要性是基于这样一个事实，即甘油磷脂代谢的代谢产物，如花生四烯酸，是众所周知的炎症诱导剂，并促进劳动诱导脂类化合物前列腺素的合成。虽然这种新陈代谢的变化不能归因于特定的细菌菌株，但这一发现表明，胎盘中多种疾病相关细菌的存在可能会重塑这种环境，并产生一种更容易发生早产的环境。一个健康的微生物组与人类宿主具有共生关系，提供了抵御病原体定殖的防御机制。口腔慢性传染病是由于口腔微生物组局部的菌群失调引起的。包括抗微生物肽在内的口腔微生物产生的小分子对于口腔微生物世界中的交流至关重要。目前分子生物学的进展使得人们能够探索口腔微生物组合成的负责产生许多小型次级代谢物的生物合成基因簇(BGCs)。通过对口腔微生物的取样，几乎5000个BGCs被鉴定跨基因组代表了广泛的分类多样性。口腔微生物群最常见的次级代谢产物是核糖体合成和翻译后修饰肽(RiPPs)。图3描述了通用 RiPPs生物合成路径的概述。在大多数情况下，RiPPs的产生涉及核糖体合成的肽前体附加到其领导肽。然后，这个前体被诸如环化酶、脱水酶、氧化还原酶等酶修饰，产生一个多环结构。然后，通过蛋白酶活性将修饰后的肽从其领导者分离出来，作为一种生物活性分子分泌到生产细胞外。RiPPs类包括细菌素、羊毛硫肽(或羊毛硫生物素)和天然肽等小分子。此外，最近的研究表明，一些口腔细菌居民也可以产生杂合PKS-NRPs。
图3. 显示生物合成一般路径的通用RiPP操纵子概述。在核糖体合成后，口服RiPPs酶修饰，导致一个独特的多环结构。然而，这种结构还不具有生物活性，需要蛋白酶切割前导肽。分泌的修饰肽通过激活跨膜组氨酸激酶受体，使生产者细胞通过正反馈环路敏化。许多生产细菌还配备了RiPPs生物合成位点编码的转运蛋白，以排除细胞膜上的活性代谢物，从而防止自我杀伤。
许多口腔微生物，包括共生菌和条件致病菌，可以产生属于不同代谢类型的串联式抗菌素。这类分子最具特征的例子是由革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌产生的细菌素。细菌素通常被定义为核糖体合成的抗微生物肽或某些细菌菌株产生的蛋白质，它们有能力消除或抑制特定定居竞争者的生长。口腔中产生的细菌素有不同的类别：i类，羊毛硫抗生素; II类，小(<10 kda)，相对热稳定，非羊毛硫肽；III类，大(>30 kda)，热不稳定蛋白；IV类，复合细菌素，除蛋白质外，还含有必需的脂质或碳水化合物。细菌素的主要作用是限制复杂微生物群落中竞争菌的生长。它们是相互竞争的细菌物种之间持续进化冷战的产物。它们在不同宿主微生物群中的丰度表明了它们对维持特定微生物群落长期稳定性的贡献。许多人类口腔微生物群的细菌成员，包括链球菌、乳杆菌、梭杆菌和普氏菌，产生一个或多个类细菌素抑制物质。产细菌素的口腔微生物群属于链球菌属。从口腔链球菌中分离出类细菌素代谢物的最初尝试之一就是在产脓链球菌进行的。该物种与咽炎，咽扁桃体炎和其他疾病有关，并产生类细菌素抑制物质(后来称为BLIS)，能够干扰其他口腔链球菌的生长。进一步的研究表明，这种抗菌代谢物属于破坏膜电位作为一种针对靶细胞的作用模式的细菌素类。对其他口腔链球菌的研究导致了唾液霉素A的分离和鉴定，这是唾液链球菌产生的第一种羊毛硫菌素，唾液链球菌是口腔中的一种共生微生物。由于唾液链球菌的细菌性、生物安全性以及它与嗜热链球菌的密切关系，唾液链球菌成为口服益生菌发展的潜在候选菌株。嗜热链球菌和唾液链球菌都含有sbcD基因及其相关产物，被认为具有修复重组双链 DNA断裂的作用，从而降低了DNA重组的效率，稳定了基因组。这种基因在致病性链球菌基因组中缺失，但在乳制品链球菌中存在。变形链球菌是牙菌斑的常见成分，是最多产的细菌素生产者之一。这种微生物可以通过产生自身的多种抗菌素、抗菌素和非抗菌素类细菌素来抵抗其他共生物介导的细菌素杀伤。变形链球菌的生产是有效干扰其他微生物竞争者的生长并改善口腔生物膜的定殖和建立的策略之一。虽然已经对革兰氏阳性口腔细菌产生的细菌素进行了重要的表征，特别是链球菌分离株，但是关于由革兰氏阴性口腔细菌产生的细菌素的数据很少。了解口腔细菌素和其他抗菌物质的完全拮抗信号，将为设计和开发抗口腔疾病的治疗方案提供重要信息。例如，羊毛硫菌素变链素1140是一种由变形链球菌产生的肽类抗生素，对许多重要的细菌病原体具有强大的广谱抑制活性。
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大多数唾液酸属于Ⅰ类细菌素，但部分唾液酸链球菌产生的
salivaricin MPS
属于
III
类。
Mw
，分子量；
NA
，数据不可用。塞克肽是一种包含硫醚桥的RiPPs，它在翻译后安装，并且具有抗菌活性。虽然还没有从口腔微生物中分离出来，但是在口腔微生物组成员（如S. constellatus、S. gordonii、S. oralis和S. parasanguinis）的基因组中发现了由嗜热链球菌(S. thermophilus)产生的塞克肽。抗微生物肽的主要作用方式是整合到靶细胞膜上，诱导细胞膜通透性。这种杀死细胞的活性表明这些肽可以用于癌症治疗。以前曾发现口腔和上呼吸道微生物肺炎链球菌能产生一种分泌型肽Pep27，这种肽被发现能促进肺炎链球菌的细胞死亡。研究人员发现，这种肽还具有抗癌特性。Lee和他的同事报道了Pep27可以穿透质膜，诱导细胞凋亡，其中包括caspase和细胞色素c非依赖性方式。有趣的是，一种由正宗肽Pep27anal2制造的类似物甚至比Pep27更有效，因为它具有比Pep27稍长的螺旋构象。此外，Pep27anal2对白血病(AML-2、HL-60、Jurkat)、胃癌(SNU-601)和乳腺癌(MCF-7)细胞株均有抑制作用。因此，这个例子鼓励并建议，口腔微生物组的其他类似代谢物可以被识别并开发用于抗癌治疗。聚酮类和非核糖体代谢产物是聚酮合成酶和非核糖体多肽合成酶复合物(NRPS)合成的次级代谢产物。变形菌、放线菌、厚壁菌和蓝细菌是含有大量基因位点的细菌门类，这些基因位点负责产生各种非核糖体肽和聚酮代谢物。最近的一项研究表明，一个致龋变形链球菌菌株产生一种新的代谢物，属于(PKS/NRPS)家族，称为reutericyclin。此外，研究表明，变形链球菌使用reutericyclin干扰邻近口腔共生菌的生长，使口腔生物膜持续存在并导致菌群失调。在一个单独的研究中，变形链球菌UA159菌株被证明可以产生一种杂合PKS-NRPS代谢物mutanobactin A，它可调节一系列的应激耐受因子并影响白色念珠菌的酵母菌丝体转变。6 基因组挖掘是发现共生口腔微生物新代谢产物的有力工具基因组挖掘是一种相对较新的生物信息学工具，它涉及到角色塑造和新的天然产物及其在已测序微生物基因组中的生物合成遗传位点的识别。随着NGS和基因组学的发展，可以通过基因组挖掘获得更详细的信息，包括预测参与微生物衍生天然代谢物生物合成的酶和蛋白质的假定功能。数以千计的微生物基因组和 DNA数据库是公开可用的，与进一步的信息假定功能和生物合成途径的编码代谢物。新代谢产物基因组挖掘的经典方法是对与次生代谢产物的生物合成和成熟相关的酶基因进行挖掘。这个原理的优点是许多微生物代谢物的生物合成机制通常是保守的。因此，这比无监督地搜索编码代谢物前体的高度多样化的核心基因要容易得多。利用基因组挖掘的方法，选择已知分泌抗菌次生代谢物的口腔微生物基因组，我们发现了一种新的生物合成簇编码产生新的链球菌性硫肽，我们称之为硫代维他霉素(图4)。生物合成位点检测到的链球菌种S. salivarius、S. downei、S. sobrinus和S. equinus的基因组中检测到生物合成位点，GenBank登录号分别为QEM31461、WP_002998585、WP_019782216和WP_039697794。一般来说，硫肽是从土壤和海洋微生物中分离得到的。因此，确定它们为口腔共生物的潜在产物是令人惊讶的。新发现的硫代维他霉素有一个先导序列，可能是在GG序列之后切割出来的，从而产生一个假定的硫肽序列S-S-T-C-G-S-T-S-C-S-S-C-S-S-S-C-A。对硫肽数据库(ThioFinder)进行了比对分析，但没有显著匹配。抗菌肽数据库(APD)显示与微球菌素P1的同源性非常低，这表明thiosalivaricin是一种新型药物。硫肽是一类翻译后修饰的具有复杂结构的抗生素，包括噻唑、脱氢氨基酸和一个取代的氮杂环链。它们以其对抗抗生素耐药细菌的抑制活性而闻名。此外，某些硫肽的生物活性以前已被证明具有抗癌和抗炎的特性。来源于口腔的链球菌性硫肽的研究现状仍处于非常早期的阶段。然而，通过上述数据库获得的选择性基因组表明，链球菌性硫肽可能成功地作为生物活性代谢物产生。随着口腔细菌基因组序列的完整性增加，可以更好地估计口腔内硫肽位点的分布和丰度。此外，先进的基因组挖掘技术能够预测巯基肽的分子量和结构，使得通过质谱法和其他蛋白质组学方法更容易地寻找这些分子。口腔微生物组中硫肽生物合成位点的发现，揭示了基因组挖掘和生物信息学对于进一步研究口腔微生物分泌代谢物的重要性。
图4. 利用计算机基因组挖掘技术发现新的硫代葡萄球菌素生物合成基因簇并预测前体肽。thiosalivaricin位点包含23个基因，参与前体肽的核糖体合成、翻译后修饰(如环脱水酶、水解酶、硫氨酸脱水酶、硫肽脱水酶和脱氢酶)、转运、调节和其他被认为在自身免疫中发挥作用的辅助元件。与新发现相一致的是，从口腔链球菌中提取的thiosalivaricin与微球菌素P1相比具有独特的序列。口腔共生微生物和疾病相关微生物之间的平衡，以及这种平衡如何促进口腔健康和疾病，并影响宿主的口腔免疫反应，是理解和治疗人类常见口腔健康问题的核心。分泌型细菌代谢产物能直接影响口腔健康状况，影响口腔微生态系统免疫界面的性质。因此，从共生微生物或微生物代谢的副产物中鉴定出的能够抑制其他潜在有害菌株繁殖的分子，在保持口腔健康方面具有巨大的潜在价值。进一步的工作是必要的，以确定影响微生物衍生因子的免疫反应和免疫细胞功能。最近发现的一些微生物因素可能具有多效性，包括尚未得到很好表征的免疫调节作用。除了抗生素功能，微生物代谢物可以促进中性粒细胞和单核细胞补充通过TLR依赖机制。同样，微生物产生的代谢物，H2S，刺激口腔白细胞进一步促进白细胞补充。或者，微生物衍生的分子，包括丁酸，可能是免疫调节剂，以限制口腔疾病的高炎症反应。中性粒细胞是口腔中的主要免疫细胞，在健康和疾病中组成性地分布，并能以菌株特异性的方式对口腔微生物种群作出反应。此外，口腔炎症可以影响中性粒细胞动员和启动/激活系统。需要进行重要的研究，以确定微生物代谢因子如何影响血液循环中的中性粒细胞的激活状态，以及一旦这些中性粒细胞进入口腔。
口服微生物代谢物，包括RiPPs，在直接治疗应用方面具有很好的发展潜力。了解它们在微生物生态系统中的介质作用，并探索这些代谢物在DNA活性、群体感应、生物膜形成以及口腔内的物种内和物种间信号传递方面的精确机制，将为新的口腔健康应用打开大门。例如，肺炎链球菌的DNA能力调控网络通过细菌素的生产与细菌间竞争系统相连。这些肺炎球菌细菌素有助于邻近捕食和病原体定植，通过创造新的基因或酶工具来定位这些分子的表达是治疗口腔和上呼吸道传染病的一个可行的选择。共生生物膜被认为是抵御疾病相关物种入侵的一个重要方面，因为它们填补了原本可能被殖民的生态位。从这个意义上来说，口腔共生物产生的代谢物有助于限制病原体的侵入和定殖，这种代谢物对宿主是有益的，它们可以发育成产生代谢物的微生物。然而，与疾病相关的细菌产生的代谢物也很有意义，可以作为单独的治疗药物，也可以作为口腔内机会致病菌过度表达的靶向药物。在这个对常规抗菌素产生耐药性的时代，这两种途径都可能导致用于防治机会性感染的新疗法。
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