人类的"第二基因组"——肠道微生物2016年主要研究盘点生物探索编者按被誉为人类的"第二基因组"的肠道菌群,近年来已经成为最火爆的研究领域之一。定居于宿主体内的肠道菌群数量庞大

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编者按

被誉为人类的"第二基因组"的肠道菌群,近年来已经成为最火爆的研究领域之一。定居于宿主体内的肠道菌群数量庞大、种类繁多。它们参与着机体许多重要的生理功能,调控免疫系统、新陈代谢甚至是大脑。在本文中,小编将主要从以上三个方面为您盘点2016年重要的肠道微生物相关研究。



被誉为人类的"第二基因组"的肠道菌群,近年来已经成为最火爆的研究领域之一。这些高度多样化、数量惊人的菌群生活在我们的身体中。据估计,一个标准的人体约由30万亿人类细胞和39万亿细菌组成。肠道菌群对我们的健康至关重要,它们参与许多重要的生理功能,如食物的消化和新陈代谢,免疫反应和炎症等。同时,肠道菌群还可以与大脑相互作用,影响着我们的情绪、食欲甚至生物节律。肠道微生物群的破坏可能导致多种病症,包括儿童哮喘,肥胖,结肠炎和结肠癌及一些精神疾病比如焦虑、抑郁、自闭、精神分裂及神经退行性疾病等。在这篇文章中,小编将从免疫、代谢及中枢神经系统三个方面为您盘点2016年重要的肠道微生物相关研究。


1
肠道菌群与免疫


Science:Gene-microbiota interactions contribute to the pathogenesis of inflammatory bowel disease


肠道菌群在免疫系统的发育和功能中扮演着重要角色,与克罗恩病等一些肠道炎症性疾病密切相关。5月5日发表于Science杂志上的一项研究中,加州理工学院的研究人员发现了人类两种缺陷性基因和肠道益生菌脆弱拟杆菌释放的信息与克罗恩病之间的关联。克罗恩病患者机体中缺失名为NOD2和ATG16L1的两个基因,这两个基因的缺失会诱发机体肠道发生炎症。脆弱拟杆菌会释放特殊的外膜囊泡结构(OMVs),这些囊泡中含有可以抑制机体炎性反应的免疫调节分子。但OMVs需要NOD2和ATG16L1基因才能激活非经典的自噬通路,产生保护效应。如果缺失其中的一个基因,脆弱拟杆菌就无法发挥保护效应。这项研究揭示了基因组与微生物组之间的重要关系,或许在将来可以用来改善临床实验中益生菌的使用疗效。




Nature:Development of the gut microbiota and mucosal IgA responses in twins and gnotobiotic mice


5月25日,Nature杂志上发表了来自华盛顿大学医学院的一篇论文。研究人员对双胞胎从出生到2岁时进行研究发现,双胞胎儿童机体中肠道免疫系统与肠道中数以万亿的微生物菌群同步发育。研究人员通过探究肠道中一种最重要的抗体免疫球蛋白A(IgA)与发育肠道菌群成员之间的相互作用,估计了肠道免疫系统的发育。通过确定IgA靶向及未靶向作用于哪些细菌,研究人员能够标记出肠道免疫系统成熟的不同阶段。该研究或为理解婴幼儿机体的健康生长发育提供一个新见解,同时也为阐明多种机体免疫障碍,比如炎性肠病、食物过敏等疾病的发病机制提供研究基础。




NAT MED:Neonatal gut microbiota associates with childhood multisensitized atopy and T cell differentiation


9月12日,加州大学旧金山分校和亨利福特医疗集团在Nature Medicine杂志上发表的一项研究表明,在新生儿体内,四种关键肠道细菌的低水平将更容易使婴儿在1岁时表现出哮喘的预警迹象。新生儿健康的肠道菌群包含着许多可以减少炎症的分子。包括脂肪分子或脂质,研究人员推测这些分子滋养着调节性T细胞,而后者可以控制体内的免疫反应。在高危婴儿的肠道中,这些关键的抗炎脂类缺失,取而代之的另一些脂肪,包括一种与哮喘相关的脂肪:12, 13 DIHOME。肠道菌群在加工处理日常饮食成分(如脂肪)中扮演着重要角色,并最终强有力地影响着肠道内的抗炎因子和促炎因子。这项研究强调了开展早期干预措施,以提高新生儿微生物生态健康的重要性。




Cell:Linking the Human Gut Microbiome to Inflammatory Cytokine Production Capacity


11月3日,来自荷兰内梅亨大学医学中心的研究小组发表于Cell杂志上的文章阐述了肠道微生物组成和功能差异如何影响个体免疫系统,包括影响炎症因子表达以及免疫系统响应病原体。研究人员检测了500名人类功能基因组学计划(HFGP)参与者的血液和粪便样本,希望找到对病原体免疫应答的个体差异,肠道菌群的差异以及这两个因素之间如何产生相互影响。参与者的免疫细胞暴露于三种细菌刺激物产生的毒性物质——还有两种念珠菌属真菌。结果发现,肠道微生物的结构和功能,都会影响这些代谢物的产生。而代谢物的变化会进一步影响免疫细胞分泌的炎症因子水平变化。理解基因组学、菌群以及环境因素如何导致免疫应答的差异,或许能够找到影响病人疾病易感性的因素,并开发更好的靶向治疗方法。



图片来源:本文文献


2
肠道菌群与代谢


Nature:Acetate mediates a microbiome–brain–β-cell axis to promote metabolic syndrome


6月8日发表于Nature杂志的一项研究中,来自耶鲁大学的研究人员阐述了肠道菌群导致肥胖的机制。在此前的研究中,该研究小组发现一种短链的脂肪酸——乙酸刺激啮齿类动物的胰岛素分泌。在这项研究中,研究人员发现高脂饮食的导致啮齿类动物肠道菌群发生改变,从而在体内产生更多乙酸。乙酸通过迷走神经向胰腺和胃发出信号,使β细胞释放更多胰岛素,同时也刺激胃泌素(gastrin)和胃饥饿素(ghrelin)释放,进一步导致暴饮暴食。如果这一效应同样发生在人类中,那么鉴定出产生乙酸的细菌并找到调控途径可能成为治疗肥胖的新方法。



图片来源:本文文献


Cell:Microbiota Diurnal Rhythmicity Programs Host Transcriptome Oscillations


12月1日,Cell杂志上发表了一项来自于以色列魏茨曼科学研究所的研究。研究表明,与自然界中其他生物的生物钟一样,微生物群的组成和活性也表现出日常或昼夜节律。这些定居在肠道内的细菌每天从肠道内膜的一处移动几微米到另一处,然后再回到它们原来的位置。这种有时间规律的微小运动可以通过将肠道组织暴露于不同的微生物及它们的代谢产物中来影响着宿主动物的生物节律。在该研究中,肠道菌群释放的代谢产物进入宿主的血液循环。血液中这些分子水平在一天中的变化又进一步改变了宿主肝脏中编码多种代谢酶的基因的表达,进而使肝脏的解毒能力随日常时间发生变化。理解并操控微肠道菌群的生物节律,对时间治疗学的发展及生物钟紊乱相关疾病的治疗有着重要意义。



图片来源:本文文献


Cell:A Dietary Fiber-Deprived Gut Microbiota Degrades the Colonic Mucus Barrier and Enhances Pathogen Susceptibility


11月17日,Cell杂志上发表了一项来自于密歇根大学医学院与卢森堡卫生研究所的联合研究。科学家们发现,缺乏纤维,会导致降解肠道粘膜的细菌数量增多,分泌更多的降解粘膜的酶类,从而造成粘膜层变薄。对于正常的肠道,粘膜的生成和降解处于稳态。但是缺乏纤维,粘膜的降解速率会比生成速度快,导致肠壁暴露于细菌之中,增加了肠道被感染的几率。这一研究表明了膳食结构对人类肠道菌群会造成直接影响,从而很可能会进一步促进肠道粘膜以及相关疾病的发生。



图片来源:本文文献


3
肠道菌群与中枢神经


Cell:Microbial Reconstitution Reverses Maternal Diet-Induced Social and Synaptic Deficits in Offspring


人类的流行病学研究表明,孕妇妊娠期肥胖会增加后代神经发育障碍,包括自闭症谱系障碍(ASD)。在6月16日的Cell杂志上,来自美国贝勒医学院的研究的发现,母亲孕期的高脂肪饮食会对后代肠道微生物生态系统造成负面影响,导致乳酸杆菌缺乏,从而引起后代社交缺陷及大脑奖赏环路突触强化缺乏。在这些小鼠肠道中回补缺乏的菌种,将在一定程度上逆转社交缺陷行为,并恢复奖赏环路中的突触功能变化。这一研究为神经发育障碍相关症状的治疗方法开辟了新道路。



图片来源:本文文献


Cell:Gut Microbiota Regulate Motor Deficits and Neuroinflammation in a Model of Parkinson’s Disease


12月1日,Cell杂志上发表了一项来自于加州理工学院的研究。在这项研究中,科学家们首次证实,肠道菌群的改变可能是导致帕金森病(PD)中运动能力的恶化的罪魁祸首之一。在过表达α-Syn的PD模型小鼠中,无菌小鼠的运动技能明显优于那些肠道具有完整微生物组的小鼠,移除肠道菌群可恢复PD模型小鼠的运动技能。此外,肠道细菌分解膳食纤维时所产生短链脂肪酸(SCFA)分子将促进神经炎症的发生,进一步使PD恶化。并且,与移植来自健康个体粪便样品的无菌小鼠相比,被移植PD患者肠道菌群样本的无菌小鼠表现出更强的PD的症状。同时,这些小鼠的粪便中含有更高水平的SCFA。这些研究结果提示科学家们或许可以通过调控肠道菌群及其代谢产物来治疗帕金森病。



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