BioTalker BioTalker

死磕大数据、智能硬件、基因检测、人工智能, 有趣有料,一切与科技有关

记得老编辑有天对我讲,「有些投资人告诉我,现在微生物领域是投资热点,大家都在看项目,但是好的项目实在是太少了。」

近十年来,二代测序技术不仅催生了一大批专注于人体基因组的公司,也孕育了一大批关注人体肠道微生物的公司。几乎每周都有肠道微生物的重磅研究进展刊登在各个顶级期刊上,然后迅速刷爆朋友圈。科技的确是第一生产力。

然而,如果你仔细看一下大多数肠道微生物的研究论文,你可能会产生跟投资人类似的迷茫:肠道微生物与疾病相关性的研究非常多,但是鲜有研究能说出背后的原因。这就意味着,科学家知道肠道微生物与健康有关,但是存在什么样的因果关系,目前还不清楚。这严重制约了肠道微生物研究成果的转化。这也是投资人口中「好项目少」的原因。

▲如上图所示,我们知道肠道微生物与多种疾病之间存在相关性,但是背后的因果关系并不明确。
▲如上图所示,我们知道肠道微生物与多种疾病之间存在相关性,但是背后的因果关系并不明确。

于是每一个能够阐明肠道微生物与疾病之间关系的研究,都显得弥足珍贵。例如,克利夫兰诊所Stanley L. Hazen研究团队阐明了肠道微生物与动脉硬化之间的关系美国东北大学的微生物学家Philip Strandwitz团队阐明了肠道微生物与抑郁症之间的关系瑞士洛桑联邦理工学院Patrick Aebische团队阐明了肠道微生物与衰老之间的关系耶鲁大学医学院Gerald I Shulman教授团队阐明了肠道微生物与肥胖之间的关系。由于这些研究基本说明了肠道微生物与相应健康问题之间的因果关系,因此存在极大的转化价值。

近日,俄勒冈大学的著名生物学家Karen Guillemin教授团队的研究人员,又给我们带来了一个珍贵的研究成果。她们发现β细胞的生长分裂可能是由肠道微生物控制的(Hill, Franzosa et al. 2016)。众所周知,β细胞是唯一能够分泌胰岛素的细胞,这一发现的重要性不言而喻。据悉,这是科学家首次揭示肠道微生物与β细胞之间的关系,这一发现可能给糖尿病的诊断和治疗增加一利器。Guillemin教授团队的这一重要研究刊登在著名开源期刊eLife上。

▲Karen Guillemin教授
▲Karen Guillemin教授

 

早在十多年前,科学家就已经发现糖尿病与肠道微生物失衡之间存在一定的联系(Brown, Davis-Richardson et al. 2011, Giongo, Gano et al. 2011, Kostic, Gevers et al. 2015),后续的研究不断证实这种相关性,但是没有一个研究能说明这种相关性背后的原因。

就在学界一再证实糖尿病与肠道微生物之间存在关系,又找不到直接的证据的时候,Guillemin教授决定做一个大胆而艰难的尝试。

自上个世纪六十年代以来,俄勒冈大学就是研究模式动物斑马鱼的顶级研究机构。Guillemin教授早在15年前就建立了培育无菌斑马鱼的技术和方法,这使得她们可以在斑马鱼里研究肠道微生物与任何疾病之间的关系。

▲斑马鱼
▲斑马鱼

她们在开始研究之前做的第一件事就是,再次确认肠道微生物与糖尿病之间的确存在关系。课题的领导者Jennifer Hampton Hill首先比较了肠道无菌斑马鱼和有菌斑马鱼在受精6天之内胰岛里的β细胞情况。Hill发现,与正常的斑马鱼相比,肠道无菌斑马鱼的β细胞占据的面积明显小很多。再测测肠道无菌斑马鱼的「血糖」,发现显著高于肠道有菌斑马鱼。这就说明,之前的研究都是没啥问题的,Hill可以开始深入的研究了。

▲CV:正常斑马鱼的β细胞生长状况(绿色);GF:肠道无菌斑马鱼的β细胞生长状况(绿色)。暗示肠道微生物在斑马鱼的β细胞生长过程中起到重要作用。
▲CV:正常斑马鱼的β细胞生长状况(绿色);GF:肠道无菌斑马鱼的β细胞生长状况(绿色)。暗示肠道微生物在斑马鱼的β细胞生长过程中起到重要作用。

接下来要怎么办呢?其实很简单,就是把正常斑马鱼肠道的微生物一种一种的放回到无菌斑马鱼肠道里,再看看哪种肠道微生物加进去之后,斑马鱼的β细胞可以恢复到正常水平。记得上海交通大学的赵立平教授曾经讲过,研究微生物与疾病之间的关系,我们必须得一种一种来。肠道里的微生物种类可是成百上千的啊,要保证全程无污染的弄到小鱼的肠道里。所以说这是一个非常艰难的工作,但是为了解释现象背后的原因,Hill也只能拼了。

最后,功夫不负有心人,Hill真的从斑马鱼的肠道微生物里找到了三种气单胞菌属(Aeromonas)细菌和一种希瓦氏菌属(Shewanella)细菌,这四种细菌可以让无菌斑马鱼的β细胞恢复到正常斑马鱼的水平。如此看来,肠道里的确有操纵β细胞生长的特殊微生物。

▲Jennifer Hampton Hill在做实验
▲Jennifer Hampton Hill在做实验

那它们是如何在肠道里遥控远在胰腺的β细胞的呢?Hill又在体外培养那三种气单胞菌属细菌,用它们的培养液处理肠道无菌的斑马鱼,发现这些幼崽的β细胞一样可以恢复到正常水平。如此看来,就是这些气单胞菌在肠道里产生了特殊的物质,这些物质通过体液循环跑到胰腺了。那这种物质是蛋白质还是无生物活性的化学物质?

于是Hill又干掉了细菌培养液中的所有蛋白质,这回发现肠道无菌斑马鱼的β细胞终于不能恢复到正常水平了。如此看来,是肠道微生物分泌的一种蛋白质在起作用。但是细菌往环境中释放的蛋白质又是成百上千种,到底是哪种?好在微生物从体内往外分泌蛋白质的通道只有那么几个。于是,Hill又将一种气单胞菌属细菌A. veronii最主要的那个分泌蛋白质的大门给堵上了。这样一来,就有很多蛋白质不能分泌到外界环境中了。

Hill再用这种气单胞菌属的细菌培养液处理肠道无菌的斑马鱼,发现斑马鱼的β细胞还是可以恢复到正常水平。这就表明,促进β细胞分裂的蛋白可以通过其他的通道出来,这一下又大大缩小了搜寻范围。剩下的真是没有更好的办法细分了。

于是Hill采用了化学和物理方法,最终将范围缩小到了163种蛋白质,并确定了它们的蛋白序列。最终通过层层筛选,她最终找到了一个含261个氨基酸的蛋白质,这个蛋白质可以使肠道无菌斑马鱼的β细胞恢复到正常水平,她把这个蛋白质叫做BefA。当Hill把气单胞菌细菌的BefA基因去掉之后,这种细菌就丧失了促进β细胞分裂的能力。这再次证明,BefA蛋白是A. veronii唯一可以促进β细胞扩大地盘的物质。后来,Hill证明,这种扩大地盘的现象实际上是β细胞变多了。这就意味着,BefA蛋白在达到胰岛之后,是促进了β细胞的分裂。这对于糖尿病患者无疑是个好消息。

▲CV:正常斑马鱼的β细胞生长状况(绿色);GF:肠道无菌斑马鱼的β细胞生长状况(绿色);10165(BefA蛋白代号):加入BefA蛋白之后,肠道无菌斑马鱼β细胞生长状况似乎优于正常斑马鱼
▲CV:正常斑马鱼的β细胞生长状况(绿色);GF:肠道无菌斑马鱼的β细胞生长状况(绿色);10165(BefA蛋白代号):加入BefA蛋白之后,肠道无菌斑马鱼β细胞生长状况似乎优于正常斑马鱼

但是这个实验毕竟是在斑马鱼体内完成的,在人体会有类似的效果吗?Guillemin教授团队目前还没有在人体内开展相关的研究,但是她们做了一个有指导意义的研究。她们在人肠道内找到了几种肠道微生物,它们可以分泌跟BefA蛋白很像的蛋白,只是相似度不一样。于是Hill用相似度最高和最低的两种蛋白处理肠道无菌的斑马鱼,惊喜地发现,斑马鱼的β细胞同样可以恢复到正常水平。这暗示着,在人体内极有可能存在类似的现象。目前Guillemin教授团队目正在开展深度研究。

「我们这个研究表明,动物的生长发育可能是依赖于肠道微生物释放出的信号,」Hill说,「看到肠道微生物在葡糖糖稳定中起到如此重要的作用,实在是太兴奋了。」

「肠道微生物是胰腺发育的信号来源,真真是一个很新鲜的观点,」Guillemin教授说,「我们花了很多年分离和研究斑马鱼的肠道菌群,我们的努力没有白费,我们发现了可以调节β细胞生长的BefA蛋白。」

▲I型糖尿病新生儿的肠道微生物种类(红色)较少
▲I型糖尿病新生儿的肠道微生物种类(红色)较少

对于I型糖尿病患者而言,他们发病时间极早,那个时候的β细胞非常脆弱,容易受到攻击,如果相应的微生物再缺失,会使小患者的病情雪上加霜。I型糖尿病的发病因素包括基因和环境,其中环境因素就包括肠道微生物。研究表明,人类的β细胞一般在5岁左右进入休眠期,停止分裂生长。因此,在新生儿早期使用抗生素,有可能加大新生儿患I型糖尿病的风险。

Guillemin教授表示,她们目前需要与研究I型糖尿病的研究人员合作,以研究开发BefA分子作为潜在的治疗方法。目前已经有很多公司在研发微生物移植治疗疾病的口服胶囊,希望治疗糖尿病有朝一日也可以用上类似产品。

参考资料:

Brown, C. T., (2011). “Gut Microbiome Metagenomics Analysis Suggests a Functional Model for the Development of Autoimmunity for Type 1 Diabetes.” PLOS ONE 6(10): e25792.

Giongo, A., (2011). “Toward defining the autoimmune microbiome for type 1 diabetes.” ISME J 5(1): 82-91.

Hill, J. H., (2016). “A conserved bacterial protein induces pancreatic beta cell expansion during zebrafish development.” eLife 5: e20145.

Kostic, Aleksandar D.,(2015). “The Dynamics of the Human Infant Gut Microbiome in Development and in Progression toward Type 1 Diabetes.” Cell Host & Microbe 17(2): 260-273.

奇点分享微信

推荐阅读

发送