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探寻微生物影响宿主长胖的“暗号”


来源:15选5开奖结果天地      发布时间:2018-12-05 11:50     点击率:

  《Nature Cell Biology》期刊在线发表一篇文章,揭示了一个有趣现象:营养匮乏条件下培养的细菌会影响其宿主长胖!更重要的是,研究团队首次围绕“环境-细菌-宿主”3个因素,解析了这一现象背后的分子机制。生物探索有幸采访到文章通讯作者、美国贝勒医学院(Baylor College of Medicine)终身教授王萌及其学生、文章一作林致均博士,请她们为我们分享了这一最新研究。

  微生物广泛存在于我们自身以及赖以生存的环境中,无论种类还是数量,它们都远超我们的想象。更重要的是,它们与我们的健康息息相关。但是,微生物如何影响宿主健康?如何感知外界环境?这是科学家们一直“痴情”于这些微小生命体的原因。

  她们发现,当营养匮乏时,细菌自身的生理代谢会受到影响,从而进一步导致其宿主线虫长胖!这意味着,细菌因为环境而发生的变化,会直接作用于宿主,对其脂肪代谢产生明显的影响。

  为什么宿主会变胖?它对人类饮食有什么指示意义?对此,生物探索有幸采访到文章通讯作者、美国贝勒医学院(Baylor College of Medicine)终身教授王萌及其学生、文章一作林致均博士。

  为了弄清楚环境(营养)如何通过改变细菌代谢影响宿主健康,王萌教授带领团队选取野生型的大肠杆菌 (E. coli)及其宿主秀丽隐杆线虫 (C. elegans)为研究材料。她们在两种不同的营养环境下(营养充足的LB培养基、营养匮乏的M9培养基)培养细菌。随后,将两种环境下培养的细菌提供给它们的宿主秀丽隐杆线虫。

  “结果非常有趣。”王萌教授表示,“我们发现,尽管线虫的摄取能量不变,但是和营养匮乏培养的细菌生活在一起的线虫变胖了!它们体内的脂肪含量提高了两倍多!”

  根据全代谢组分析,研究团队发现,营养匮乏会导致细菌生化代谢产生显著的变化,特别是糖代谢和氨基酸代谢。但是,并不是所有的变化都会对宿主脂肪代谢产生影响,而是当营养匮乏导致细菌缺乏甲硫氨酸(methionine)才会引发肥胖现象。

  细菌代谢产物的缺失会导致宿主线虫无法有效的合成胆碱磷酯(phosphatidylcholine)。正常情况下,胆碱磷酯是非常重要的信号分子,负责激活核激素受体NHR-25。被活化的NHR-25会进一步调节下游的hedgehog信号通路,通过影响线粒体的活性来控制脂肪的储存。

  所以,当特异的胆碱磷酯不足,NHR-25就无法激活,进一步连累下游Hedgehog信号通路,导致宿主线粒体的形态和机能受到影响,最终引发脂肪大幅度累积。

  营养匮乏时,细菌代谢发生改变,导致甲硫氨酸缺乏,转而影响宿主无法有效合成特定的胆碱磷酯。对于宿主而言,胆碱磷酯的缺乏会影响机体NHR-25/Hedgehog信号通路,从而影响线粒体的形态和机能,最终引发脂肪累积。

  王萌教授团队发现,细菌的代谢产物进入线虫体内之后,经过一系列生化反应和NHR-25/Hedgehog信号通路,会影响线粒体的形态。作为脂肪代谢的重要场所,线粒体形态和脂肪含量之间存在很高的相关性:

  当线粒体变成细长的条状时,脂肪含量降低;当线粒体变成断裂的点状时,脂肪含量上升。

  线粒体至今仍然保持有许多细菌的特性,例如拥有自己的基因组、双层膜以及一些类似的生化代谢反应。林博士表示:“依据这一最新研究,我们大胆假设:细菌和真核细胞内线粒体的化学信号可能具备高度保守的调节机制。细胞可以通过线粒体感应细菌的暗号,从而对外界环境做出及时、快速的生理反应。”

  这一最新研究揭示,线粒体可以扮演细菌和宿主真核细胞之间的一个重要桥梁,协助它们完成代谢信息的交流。这将为线粒体功能的研究带来观念上的颠覆性改变。

  对于人类而言,我们每天需要补充多种食物。在我们享用这些外界营养的同时,寄居于肠道内的细菌们同样也在感知环境的变化,从而调整它们的基因表达、代谢反应,以便快速的适应新环境,更好的生存下去。细菌代谢反应的变化会产生不同的代谢产物,这些产物会反过来影响人类。

  林博士表示,在营养丰富的条件下,细菌就像是去“餐厅用餐”,它们可以直接通过“点餐”吸收环境中的氨基酸、糖类、脂类等高分子量的有机物质。相反,营养匮乏时,细菌只能“在厨房里自己烹饪”,从无机的小分子一步步合成有机的大分子,以此满足自身生存繁衍的需求。

  采访中,王萌教授告诉生物探索:“细菌应对营养匮乏而产生的代谢改变,会让宿主累积脂肪。如果让宿主什么都不吃,细菌引发的脂肪累积会提高其生存机会。”而且,在营养匮乏的环境下,虽然宿主还没有挨饿,但是细菌已经提前预知环境变化,并在食物充足时就开始累积脂肪,提前做好准备。这种“预知适应性反应”(predictive adaptive response)有利于宿主的生存,包括人类。

  “抗战时期,母亲在饥荒、营养不良时生下的宝宝,若是后来营养条件转为充足,他/她比其他人更容易发生肥胖、血糖不耐症或二型糖尿病等代谢疾病。”林博士解释道,“所以,当预知适应性反应所预测的未来环境变化和现实相同时,细菌的提前准备对宿主而言就是有益的;不过,如果预测和现实出现偏差,则会变成负面效果。”

  总而言之,细菌对外界环境的感知会转化成代谢信号,进而协助宿主应对环境的胁迫,使其具备更好的适应生存能力。

  微生物无处不在,居住在体表或者腔道的微生物群可以协助宿主构建免疫系统,共同防御外来致病性微生物。除了影响免疫力之外,肠道微生物还被证实会影响代谢、药效、心情等等。微生物参与食物、药物的分解,影响宿主的吸收效率,它们的代谢产物还会间接影响神经细胞,一旦失衡易导致抑郁、焦虑、食欲下降等后果。

  正是因为如此密不可分的依赖关系,越来越多的科学家们对微生物“上心”。作为其中的一员,王萌教授更侧重于关注 “共生关系”,她认为共生性微生物群对于机体而言非常重要,并从以下3个方面阐述了微生物研究未来的趋势和方向:

  第一,解析个体微生物的差异,助力精准医疗。已有研究表明,因为共生微生物的不同,同样的基因治疗可能会产生截然不同的效果。很多情况下,个体之间微生物的差异远大于基因组差异。

  第二,趋利避害,筛选有益的共生微生物。微生物群体种类、数量繁多,如何从其中筛选出对我们有益的种类?如何规避有害群体?这些问题的解答能够为健康保健提供线索。

  第三,寻找新的微生物和它们的代谢产物,促进健康。未来,我们可以通过发现新的微生物群结构、特定物种、代谢产物用于调节微生物群的动态平衡,促进宿主健康,甚至于防治疾病。

  “无论是医疗、农业、保健食品,甚至于环境保护,微生物都会有很大的应用前景。”林博士强调。

  借助于显微镜,科学家们才能看到一个和肉眼所见完全不一样的世界,里面充满了未知和乐趣。“从提出新问题,设计新的实验体系,到最后弄清楚多组织间的信号转导分子通路,这是我们做得很过瘾的一个研究,发现细菌和线粒体的交流机制很出乎我们的意料。”王萌教授如此评价道。

  林博士认为,只要心细胆大,就会觉得微生物很好玩。她坦言,微生物很敏感、脆弱,做实验需要特别细心、谨慎地照顾它们。

  采访最后,谈及关注微生物的机缘,王萌教授回答说:“微生物存在于我们体内。通过研究这些细微生命体,找到能够提高正常人群基础健康水平的方法,这对于每一个人而言都是有意义的。更深一层次看待,提高健康水平对于预防、对抗疾病的发生和发展也是一个行之有效的办法。”

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