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《遗传学研究揭示了肠道细菌如何保持健康》

  • 来源专题：动植物疫病
  • 编译者： 刘小燕
  • 发布时间：2019-04-25

  • 由格拉斯哥大学领导的国家科学家团队宣布了我们对肠道细菌如何提供积极健康益处的新进展。今天在Nature Chemical Biology杂志上发表的突破性研究结果证明，有可能设计出可以用于治疗II型糖尿病等疾病的方法来模拟这些有积极健康益处的药物。众所周知，肠道中的细菌可以提供积极的健康益处，肠道细菌的作用机制尚不清楚。科学家认为，一种可能性是肠道细菌通过发酵燕麦和豆类（如豆类和鹰嘴豆）等食物中的淀粉，产生称为短链脂肪酸（SCFA）的化合物，其中一种SCFA是醋酸的主要成分。在一项为期四年的研究中，格拉斯哥研究小组利用遗传学和药理学的结合，询问这些受体蛋白中的一种—被称为短链游离脂肪酸受体2（FFA2）—当被药物选择性激活时，会在体内产生反应，从而支持对肠道细菌产生的健康益处。

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  • 《光遗传学方法提供研究肠道内细菌所需精度》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2021-01-13
    • 德克萨斯州的研究人员用光遗传学控制机制，通过应用不同颜色的光成功地将蠕虫肠道内的肠道细菌"打开"和"关闭"。这项研究由Baylor College of Medicine的Meng Wang和Rice University的Jeffrey Tabor主导，研究小组表明莢膜异多糖酸（CA）代谢物是由肠道细菌产生的，而不是在胃中被消化。 Wang之前进行的研究表明，CA将蠕虫的寿命延长了50%，这个值相当于实验室环境中四周以上的寿命。这一新进展成功地将CA的产生限制在蠕虫的肠道，最终使科学家能够测量其对肠道细胞的益处。在这项研究中，当精心设计的大肠杆菌链暴露在绿光而不是红光下时，其产生了CA。然后结合基因使荧光蛋白呈现不同的颜色，这个方法保证一种颜色将永远是明亮的，当使用微观观察时会明显地呈现出来。这使得科学家能够看到细菌在蠕虫体内的位置。只有当细菌产生CA时，第二种颜色才变得可见。 研究人员在将细菌喂给蠕虫之前将细菌控制在红灯下。当细菌通过消化道进入肠道时，它们激活了绿灯。 "当其暴露在绿灯下时，携带这种大肠杆菌菌株的蠕虫也会活得更久。光线越强，寿命越长，" Wang说。Wang是Robert C. Fyfe生物寿命课题的讲座主席，同时也是Huffington Center on Aging at Baylor的分子和人类遗传学教授和Howard Hughes Medical Institute的研究员。在早期对高等生命体的实验中，Wang表示，CA有效地调节了线粒体的裂变和聚合之间的平衡，包括在肠道细胞和肌肉细胞上。这种效应有助于细胞的寿命；线粒体（向单个细胞提供能量的细胞结构）在裂变和聚合之间保持平衡，尽管其效率会随着时间的推移而降低。线粒体功能障碍会导致细胞的衰退以及生物体的变老。 在蠕虫的胃肠道图像中可以看到光反应的细菌（喂给蠕虫的细菌）。工程师们对细菌进行编程以产生一种叫做mCherry的红色荧光蛋白，这样它们就很容易在显微镜下看到。当暴露在绿灯下时，细菌还会产生一种叫做sfGFP的绿色荧光蛋白，这会导致它们发绿色光。当暴露在红灯下时，它们不会产生绿色荧光蛋白。左列图中蠕虫被红灯处理。右列图中的蠕虫被绿灯处理 Tabor说，针对这些实验结果，他们提出了一个是否可转移的问题，即肠道细胞是否在其它细胞之前首先受益于CA，因为CA是在肠道中产生的。更广泛的问题是：CA对线粒体的好处是否会从肠道传播到全身？研究人员说，他们没有发现在短期内线粒体在蠕虫肌肉细胞内受益的证据。这意味着CA促进长寿的作用从肠道开始，然后扩散到组织。这项新技术利用光进行精确观测，该技术的准确性可以让研究人员回答有关肠道代谢的其它问题。 "我们知道肠道细菌会影响我们身体的许多过程，" Tabor说。"它们与肥胖、糖尿病、焦虑、癌症、自身免疫性疾病、心脏病和肾脏疾病有关。大量的研究是关于当你有各种疾病时会带有什么细菌，以及它们显示了什么样的相关性。Tabor说，除了相关性之外，最终目标是显示其因果关系。一个人可以通过摄入细菌以改善健康和/或治疗疾病，这是是科学家渴望继续了解的东西。 然而，在设计实验以显示肠道内特定位置所发生的情况时，困难仍然存在，因此工作人员绘制出一条路线以显示肠道细菌产生的分子可能导致疾病或健康。Tabor说："肠道是一个很难进入的器官，尤其是在大型哺乳动物中。"我们的肠子有28英尺长，而且功能具有多样性。比如整个肠道的pH会变化，细菌也会随之变化。不同的组织功能不一样，就像它们会分泌不同的分子一样。他说："要回答有关肠道细菌如何影响我们健康的问题，你需要能够在特定地点和特定时间打开基因，比如动物年轻时或动物早上醒来时。你需要精确的控制基因开关，来研究它们的轨迹，它们在哪里发生的以及它们是如何发生的。Tabor说由于它使用光来触发基因，光遗传学提供了这种控制的水平。他说在这一点上，光是真正具有足够精度来打开小肠细菌基因的唯一信号。
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  • 《Science：揭示有益细菌利用免疫反应在肠道中安营扎寨》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2018-05-09
    • 哺乳动物的肠道是温暖的、潮湿的和营养丰富的---一种非常适合细菌生长的环境。肠道中的“有益细菌”群落，通常被称为肠道微生物组，在身体中起着至关重要的作用：有助于消化纤维、摄取营养和阻止各种疾病。我们都熟悉由致病性细菌侵入身体后引发的免疫反应和疾病---因此，如果免疫系统经过进化后对细菌产生免疫排斥，那么哺乳动物如何与肠道中的有益细菌保持和谐关系？ 如今，在一项新的研究中，来自美国加州理工学院的Sarkis Mazmanian教授及其团队证实一种特定类型的有益细菌实际上利用身体的免疫反应使得它能够舒适地在肠道中安营扎寨。相关研究结果于2018年5月3日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Gut microbiota utilize immunoglobulin A for mucosal colonization”。 Mazmanian团队选择研究一种被称作脆弱拟杆菌（Bacterioides fragilis）的细菌。这种特定的细菌种类在包括人类在内的许多哺乳动物的大肠中大量存在，而且Mazmanian团队之前已证实它保护小鼠免受某些炎性疾病和神经疾病（比如炎症性肠病和多发性硬化症）的影响。令人关注的是，尽管存在多种脆弱拟杆菌菌株，但是健康人仅与一种脆弱拟杆菌菌株形成长期的一对一关系。 论文第一作者、Mazmanian实验室研究生Gregory Donaldson说，“其他实验室的研究已证实大多数人在一生当中都携带相同的脆弱拟杆菌菌株。我们想要从分子水平上理解这种细菌如何能够以一种长期稳定的方式在肠道中定植。” 首先，这些研究人员旨在通过物理观察脆弱拟杆菌所在的位置来研究这种细菌与肠道的共生关系。通过对小鼠肠道样品进行电镜成像，他们能够观察到脆弱拟杆菌聚集在较厚的肠道粘液层（即粘膜层）的深处，靠近肠道表面的上皮细胞。Donaldson和他的和作者们猜测这种空间环境是单个细菌种类站位脚跟并建立稳定的据点所必需的。 这些研究人员接下来旨在确定是什么机制允许脆弱拟杆菌在肠道内的如此一种环境中定植。他们发现每个脆弱拟杆菌都被包裹在较厚的由碳水化合物组成的荚膜中。荚膜通常与试图掩盖自己而免受身体免疫系统识别和攻击的病原菌存在关联。缺乏这种荚膜的突变细菌不能在肠道粘膜层中聚集和栖息。因此，这些研究人员猜测荚膜碳水化合物是脆弱拟杆菌菌株在肠道中独占它们的空间环境所必需的。 鉴于已知细菌荚膜与免疫系统对病原菌作出的免疫反应存在关联，Donaldson和Mazmanian推测免疫系统也可能对脆弱拟杆菌荚膜产生免疫反应。事实上，他们发现抗体，即牢牢抓住特定细菌或病毒并对它们进行标记从而使得其他的免疫细胞吞噬和破坏它们的免疫蛋白，结合到肠道中的脆弱拟杆菌荚膜上。一种特殊类型的抗体，即免疫球蛋白A（IgA）---事实上，在人体中，它是最为大量产生的抗体类型---在整个肠道中发现到，但是它的特异性功能一直是神秘的。 通常，抗体反应意味着致病菌即将死亡。但令人好奇的是，IgA不会对通常在肠道中生存的大多数细菌产生不利影响。就脆弱拟杆菌而言，这些研究人员发现IgA实际上有助这种细菌粘附到肠道上皮细胞上。此外，在缺乏IgA的小鼠中，这种细菌在肠道表面上定植并保持长期稳定方面不太成功。 这些研究人员认为，这种对脆弱拟杆菌荚膜产生的IgA免疫反应有助于将这种细菌锚定在肠道上皮表面上，因而提供一种生存优势。 Donaldson说：“令人吃惊的是，免疫反应实际上有助有益细菌旺盛生长，这接着有助宿主茁壮成长。这项免疫学研究主要是在致病菌的背景下开展的。但是肠道中有数以万亿的细菌，大多数时候它们都没有让你生病。我们的研究表明免疫系统对这些细菌产生主动的免疫识别，但是这种主动免疫识别给它们带来益处而不是害处。这提示着免疫系统不仅仅是防御系统，抗体也不仅仅是武器。” 在未来的研究中，这些研究人员计划首先研究肠道的抗体反应是如何产生的，以及为何它给脆弱拟杆菌带来益处而其他的抗体会伤害细菌。最终，这项研究可能被用来改善其他有益细菌的定植，例如通过使用益生菌。
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