那些影響我們基因的微生物
2020年03月27日09:32

  來源:返樸 ID:fanpu2019

  撰文 | 顧舒晨(浙江大學生命科學研究院青年研究員)

  我們的基因型和表型並不是完全由我們自己的基因決定的,而可能由其他生物的基因共同決定。

  沒有人是一座孤島,從出生之日起你就與微生物群落密不可分。在我們體內共生著數以萬億計的微生物群落,它們包括細菌、真菌和病毒,寄生在我們的皮膚、生殖器、口腔和消化道等部位。實際上,人體細胞並不是人體內數量最多的細胞,共生微生物的數量遠遠超過人體細胞的數量,重量達1.27公斤以上[1],其中腸道微生物約占人體微生物總重的80%。它們是一個複雜的生態系統,一個龐大的社會,幫助人體塑造了消化系統、免疫系統、神經系統等身體部位,造福人類。但共生的微生物仍然可以自成一體,為了拓展自己的利益,在生存和演化的戰場上彼此合作和競爭。它們可以是我們的合作夥伴,但不一定總是我們的朋友。即使在最和諧的共生關係中,也會有衝突、自私和背叛。

圖1。 我們所處在的微生物宇宙。 | 圖片來源:Nature
圖1。 我們所處在的微生物宇宙。 | 圖片來源:Nature

  在共生菌最多的腸道中,微生物能夠輕易地在益生與致病之間切換角色。現在已有許多疾病被認為是受到腸道微生物群的影響,例如癌症、自身免疫性疾病、多發性硬化症和自閉症譜系障礙等。此外有些腸道微生物還會影響一些藥物的作用[2]。不管是在細胞數量上,還是擁有的編碼蛋白質的基因數量上,寄生在人體的微生物群落都超過人體本身。現在,科學家們正在思考:掌控人體的,除了我們自己,是否還有共生微生物?近日,Nature刊登的兩篇最新研究揭開了腸道微生物控製人體的部分秘密。

  2020年2月26日在Nature上線的文章Global chemical effects of the microbiome include new bile-acid conjugations中,加州大學聖地亞哥分校的Pieter Dorrestein博士和Robert Quinn博士的研究團隊創建了有史以來第一張小鼠全器官的分子化合物圖譜,以及它們被微生物修飾的方式。令人驚訝的是,他們發現微生物控製著小鼠體內膽汁酸的多種新型氨基酸修飾結構,這些新型結構也存在於人體中[3]。

  研究人員對小鼠的29個不同器官的96個部位上768個樣品進行了分析,它們分別來自4只無菌小鼠和4只具有正常微生物(SPF)的小鼠。利用質譜信息學的方法,研究人員標記出每隻小鼠器官中的非活性分子,並將得到的數據與GNPS數據庫(由Dorrestein和合作者開發的質譜庫)中的參考結構進行比較。最終,研究人員在有微生物和沒有微生物的小鼠體內分別獲得了分子圖譜。對比圖譜後發現,多達70%的小鼠腸道化學成分是由其腸道微生物組決定的。即使在遠端器官,例如子宮或大腦中,帶有腸道微生物的小鼠中也約有20%的分子與無菌小鼠不同 (圖2) 。

圖2。 meta-mass-shift化學分析結果顯示在無菌或SPF小鼠中消化道不同區段已知質量差異的光譜計數
圖2。 meta-mass-shift化學分析結果顯示在無菌或SPF小鼠中消化道不同區段已知質量差異的光譜計數

  研究人員更進一步從圖譜的區別中發現了一個特定的分子家族,在有微生物和沒有微生物的小鼠之間存在顯著差異,那就是膽汁酸。膽汁酸主要是由小鼠或人的肝臟產生的,幫助油脂的消化,同時可以作為信號分子在全身傳遞信息。研究小組在具有正常微生物群的小鼠中發現了以前未知的膽汁酸修飾結構,但在無菌小鼠中卻沒有。通常宿主肝酶會在膽汁酸中添加氨基酸,特別是甘氨酸和牛磺酸。但是,在微生物群落正常的小鼠中,研究小組發現了其他氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸和亮氨酸)標記的膽汁酸,在無菌小鼠中卻沒有,這提示微生物決定了膽汁酸的新型氨基酸修飾。這為微生物對人類健康的影響提供了更多可能。

  研究人員同樣好奇人體中是否也有相同類型的微生物修飾的膽汁酸,為此他們創建了質譜搜索工具(MASST),並搜索了公共樣本數據集中1004個通過質譜分析的人體樣本。他們還通過質譜分析了大約3000份糞便樣本,樣本來源於加州大學聖地亞哥分校醫學院的大型公民科學項目“American Gut Project”。研究人員發現在小鼠中觀察到的獨特微生物修飾膽汁酸也存在於25.3%的人類樣本中,這種修飾的膽汁酸在嬰兒和炎症性腸病或囊性纖維化患者中含量更高。

  膽汁酸在脂肪代謝中起著非常重要的作用,它能夠通過激活腸道內的膽汁酸受體將信息從腸道傳遞到身體其他部位,膽汁酸受體激活後也會負反饋抑製膽汁酸的分泌。同時,它還有助於調節肝臟中甘油三酯的水平和腸道中的體液,因此在肝病和肥胖症中扮演著重要的角色。目前正在開發的幾種藥物中也有許多是通過激活膽汁酸受體來治療肝臟疾病的[4]。而這項研究發現,微生物修飾的膽汁酸會強烈刺激受體,從而抑製肝臟中產生膽汁酸的基因表達。這一發現為微生物在驅動肝臟和其他疾病,以及影響治療藥物活性方面的作用提出了更多的可能性,也為未來針對受體的藥物設計指出一種新的方向。

  2月27日在Nature上線的另一篇文章 Mutational signature in colorectal cancer caused by genotoxic pks+ E。 coli 中,荷蘭烏德勒支研究所的Ruben van Boxtel以及Hans Clevers研究組利用類器官模型,提出了具有致病性的腸道細菌可以導致人類細胞癌症突變的證據[5]。

  結直腸癌一直都是世界範圍內備受矚目的癌症之一。腸道微生物一直以來都被認為與結直腸癌的癌變發展過程相關。雖然之前就有研究報導稱,有60%的結直腸癌病人的腸道中都帶有一種可以造成基因毒性的大腸杆菌(E。 coli),能產生一種導致DNA突變的物質——colibactin(由大腸杆菌基因組中叫pks島的一組基因合成)。Colibactin在體外培養的細胞和小鼠結直腸癌模型中都能夠烷基化DNA雙鏈中的腺嘌呤,引起雙鏈斷裂進而造成DNA損傷,引發癌變[6, 7]。但pks+大腸杆菌與人類結直腸細胞的突變位點之間的聯繫還不清楚。

  在這項最新研究中,科學家們用模擬人類腸道的類器官模型來研究這一問題。類器官是在培養皿里培育出來的迷你版3D器官。研究人員將腸道中取出的幹細胞放置在合適的生長環境中,經過快速繁殖和發育,長成一個迷你版腸道,從組織結構上可以重現腸道的特徵。隨後研究人員對培養的腸道類器官內腔進行pks+大腸杆菌注射,並以不能產生基因毒素物質的大腸杆菌作為陰性對照。

  通過免疫染色檢驗,研究人員發現,pks+大腸杆菌在人腸道類器官中也能夠引發雙鏈內交聯以及DNA雙鏈損傷。在對此腸道類器官進行長達5個月的培養並持續注射pks+大腸杆菌後,研究人員對其進行了全基因組測序分析,結果發現,注射pks+大腸杆菌的實驗組中單堿基替換的比例顯著增加,有明顯的T堿基替換的現象(圖3)。而且在突變的胸腺嘌呤的位置的上遊三個堿基傾向於是3個腺嘌呤。這些基因突變特徵同樣也在真實患者的腫瘤樣本中存在。

圖3: pks+大腸杆菌注射的類器官中突變的胸腺嘧啶上遊傾向於為三連腺嘌呤
圖3: pks+大腸杆菌注射的類器官中突變的胸腺嘧啶上遊傾向於為三連腺嘌呤

  研究人員對來自英國和荷蘭的5500多個腫瘤樣本的全基因組進行比對和分析,結果顯示類器官實驗中發現的一些突變特徵集中出現在結直腸癌來源的樣本中,並且在結直腸癌中最常見的突變均與類器官處理後出現的突變、缺失和插入相一致。這一結果暗示,接觸能產生colibacin的pks+大腸杆菌,很有可能直接導致結直腸癌的突變。這項研究為進一步探明結直腸癌的致病機理以及臨床診斷和預防提供了重要的參考依據。

  人體腸道內有多種不同的大腸杆菌菌株,也許不止一種菌株能分泌出導致人體細胞基因突變的物質,今後也許需要重新評估其他菌株分泌物的功能,並重新評估相應的大腸杆菌益生菌。但無疑,該研究預示著,檢測並去除腸道內大腸杆菌的pks島也許有助於降低一大批人群罹患結直腸癌的風險。

  以上兩篇研究表明,微生物既能夠影響人類基因的表達也可能造成基因突變。這說明,我們的基因型和表型並不是完全由我們自己的基因決定的,而可能由其他生物的基因共同決定。雖然目前我們仍然不知道究竟有多少微生物能夠調控人類的基因,也不知道這些調控對下遊基因能產生什麼樣的後果,或者說我們應該如何幹預才能改善人類健康,但這依然為未來治療人類疾病提供了新的方向。

  隨著越來越多的證據表明腸道微生物群對健康的重要性,有關腸道微生物的各項研究在近幾年均呈現出井噴之勢。這些研究將微生物組與各種人類慢性疾病進行聯繫,研究人員往往利用實驗動物模型為微生物組在慢性疾病中的作用提供證據。但是,許多的因果推論在人群中驗證卻比較困難。在今年1月23日的Cell雜誌中,加拿大阿爾伯塔大學的Jens Walter教授就發表文章,對腸道菌群研究進行了反思。他認為許多研究人員試圖用人類微生物群相關(Human-microbiota-associated,HMA)囓齒動物中得到的數據來解釋宿主病理和微生物種群改變之間的關係,但這種跨物種的推論是令人難以信服的,並且誇大了腸道微生物組在人類疾病中的作用[8]。而《Nature》的這兩篇文章恰好能在這方面進行補充——它們分別在人的樣本和人的類器官模型中找到了相對應的證據,表明這些微生物可以直接調控人體細胞或令其突變,這足以證明腸道微生物在人類健康中扮演著重要的角色。

  關於人體微生物的研究雖然已經進行了許多年,但目前依然處在起步階段,微生物對人類的影響很可能遠遠超出了我們的想像。本次分享的這兩篇研究都只描述了共生細菌對人體健康的調控,但作為一個共生的整體,影響將會是相互的,我們的飲食習慣、衛生習慣等等也可以輕而易舉地對身體上的共生菌產生影響。這種相互的影響究竟誰是因,誰是果?我們身上究竟有多少共生菌,它們哪些是有益的,哪些是有害的?或者在什麼條件下是有益的,在什麼條件下是有害的?我們應該怎樣做才能與我們體內的共生菌和平共處,達到共贏?才能使我們活得更健康,避免生病?也許現在是時候從體內微生物的角度重新認識自我了。

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