来看看那些影响我们基因的微生物

没有人是孤立的岛屿，从你出生的那天起，你就与微生物群落密不可分。我们体内有数以万亿计的微生物群落，包括细菌、真菌和病毒，它们寄生在我们的皮肤、生殖器、口腔和消化道。事实上，人体细胞并不是人体中最丰富的细胞，共生微生物的数量远远超过人体细胞的数量，体重超过1.27公斤，其中肠道微生物约占人体微生物总重量的80%。它们是一个复杂的生态系统和巨大的社会，帮助人体塑造消化系统、免疫系统、神经系统和其他身体部位，造福人类。然而，共生微生物仍然可以自给自足。为了扩大自己的利益，他们在生存和进化的战场上相互合作和竞争。他们可以是我们的伙伴，但不一定是我们的朋友。即使在最和谐的共生关系中，也会有冲突、自私和背叛。

图1我们生活的微生物世界。|图像来源:自然

在肠道内共生细菌最多的地方，微生物很容易在益生菌和致病性之间转换角色。目前，许多疾病被认为受肠道菌群影响，如癌症、自身免疫性疾病、多发性硬化症和自闭症谱系障碍。此外，一些肠道微生物也会影响一些药物的效果。无论从细胞数量还是编码蛋白质的基因数量来看，寄生在人体内的微生物群落都超过了人体本身。现在，科学家们在想:除了我们自己，还有控制人体的共生微生物吗？最近，《自然》杂志发表的两项新研究揭示了肠道微生物控制人体的一些秘密。

在2020年2月26日发表在《自然》杂志上的文章《微生物的全球化学效应包括新的胆汁酸集合》中，加州大学圣地亚哥分校的皮特·多瑞斯汀博士和罗伯特·昆宁博士的研究小组创造了第一张小鼠所有器官的分子复合图，以及它们被微生物改变的方式。令人惊讶的是，他们发现微生物控制着小鼠胆汁酸的多种新氨基酸修饰结构，这些新结构也存在于人类中。

研究人员分析了来自29个小鼠不同器官的96个部分的768个样本，这些样本分别来自4只无菌小鼠和4只具有正常微生物的小鼠。利用质谱信息学的方法，研究人员标记了每一个小鼠器官中的非活性分子，并将获得的数据与GNPS数据库(Dorrestein及其合作者开发的质谱库)中的参考结构进行了比较。最后，研究人员获得了有和没有微生物的小鼠的分子图谱。在比较这些图谱后，发现多达70%的小鼠肠道化学成分是由它们的肠道微生物群决定的。即使在远端器官如子宫或大脑中，有肠道微生物的小鼠中约20%的分子与无菌小鼠不同(图2)。

图2质量转移化学分析结果显示了无菌或SPF小鼠消化道不同部分已知质量差异的光谱计数

研究人员进一步从图谱的差异中发现了一个特定的分子家族，并且在有和没有微生物的老鼠之间有一个显著的差异，那就是胆汁酸。胆汁酸主要由老鼠或人类的肝脏产生，有助于消化油和脂肪，并可作为信号分子在全身传递信息。该小组在微生物种群正常的小鼠中发现了以前未知的胆汁酸修饰结构，但在无菌小鼠中没有发现。通常，宿主肝酶会在胆汁酸中添加氨基酸，尤其是甘氨酸和牛磺酸。然而，在具有正常微生物群落的小鼠中，研究小组发现胆汁酸被其他氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸和亮氨酸)标记，但在无菌小鼠中没有，这表明微生物决定了胆汁酸的新氨基酸修饰。这为微生物对人类健康的影响提供了更多的可能性。

研究人员还对人体内是否存在相同类型的微生物修饰的胆汁酸感到好奇。为此，他们创建了质谱搜索工具(MASST)，并在普通样本数据集中搜索了1004个通过质谱分析的人类样本。他们还通过质谱分析了大约3000个粪便样本。这些样本来自美国肠道项目，这是加州大学圣地亚哥医学院的一个大规模民用科学项目。研究人员发现，在小鼠中观察到的独特的微生物修饰的胆汁酸也存在于25.3%的人类样本中，并且修饰的胆汁酸在患有炎症性肠病或囊性纤维化的婴儿和患者中更高。

胆汁酸在脂肪代谢中起着非常重要的作用。它可以通过激活肠道中的胆汁酸受体将信息从肠道传递到身体的其他部位。胆汁酸受体也能在激活后负反馈抑制胆汁酸分泌。同时，它还有助于调节肝脏中的甘油三酯水平和肠道中的体液，从而在肝病和肥胖症中发挥重要作用。目前正在开发的许多药物也通过激活胆汁酸受体来治疗肝病。然而，这项研究发现，微生物修饰的胆汁酸强烈刺激受体，从而抑制胆汁酸在肝脏中的基因表达。这一发现为微生物在驱动肝脏和其他疾病以及影响治疗药物活性方面的作用提供了更多的可能性，也为未来受体药物设计指明了新的方向。

另一篇发表在2月27日《自然》杂志上的文章，基因毒素+e引起的结肠直肠癌的突变特征。在大肠杆菌中，荷兰乌得勒支研究所的鲁本·范·博克斯特尔和汉斯·克莱夫斯利用器官样模型提出了致病性肠道细菌能引起人类细胞癌症突变的证据。

结直肠癌一直是全世界关注的癌症之一。长期以来，肠道微生物被认为与结肠直肠癌的发生有关。尽管先前的研究报告显示，60%的结直肠癌患者体内含有大肠杆菌，这种大肠杆菌会导致肠道的遗传毒性。大肠杆菌)，能产生一种引起脱氧核糖核酸突变的物质——大肠杆菌素(由大肠杆菌基因组中一组称为pks岛的基因合成)。大肠杆菌素可以在体外培养的细胞和小鼠结肠直肠癌模型中烷基化脱氧核糖核酸双链中的腺嘌呤，导致双链断裂和脱氧核糖核酸损伤，导致癌变。然而，pks+大肠杆菌和人类结肠直肠细胞突变位点之间的关系仍不清楚。

在这项最新的研究中，科学家使用模拟人类肠道的器官样模型来研究这个问题。类似的器官是在培养皿中开发的微型3D器官。研究人员将从肠道中取出的干细胞置于合适的生长环境中，通过快速繁殖和发育，它们生长成小型肠道，能够从组织结构中复制肠道的特征。研究人员随后将pks+大肠杆菌注射到培养的肠器官的内腔中，并将不能产生基因毒素物质的大肠杆菌作为阴性对照。

通过免疫染色试验，研究人员发现pks+大肠杆菌也能导致人类肠道器官的双链交联和DNA双链损伤。经过五个月的培养和持续注射pks+大肠杆菌后，研究人员对肠道器官进行了全基因组测序分析。结果显示，注射pks+大肠杆菌的实验组中单碱基置换的比例显著增加，具有明显的t碱基置换现象(图3)。此外，突变胸腺腺嘌呤位置上游的三个碱基往往是3个腺嘌呤。这些基因突变特征也存在于真实患者的肿瘤样本中。

图3:由PKS+大肠杆菌注射的器官样物质中突变胸腺嘧啶的上游倾向于三腺嘌呤

研究人员比较并分析了来自英国和荷兰的5500多份肿瘤样本的全部基因组。结果显示，在器官样实验中发现的一些突变特征集中在来自结直肠癌来源的样本中，并且结直肠癌中最常见的突变与器官样治疗后的突变、缺失和插入一致。这一结果表明，与能产生大肠杆菌素的pks+大肠杆菌接触，有可能直接引起结直肠癌突变。本研究为进一步探讨大肠癌的发病机制和临床诊断及预防提供了重要的参考依据。

人类肠道中有许多不同的大肠杆菌菌株。也许不止一种菌株能分泌出导致人类细胞基因突变的物质。将来，可能有必要重新评估其他菌株分泌物的功能，并重新评估相应的大肠杆菌益生菌。然而，毫无疑问，该研究预测，检测和去除肠道中大肠杆菌的pks岛可能有助于降低大量人群患结肠直肠癌的风险。

上述两项研究表明，微生物可以影响人类基因的表达，也可以导致基因突变。这表明我们的基因型和表型并不完全由我们自己的基因决定，而是可能由其他生物的基因决定。尽管目前我们仍然不知道有多少微生物可以调节人类基因，或者这些调节会对下游基因产生什么样的后果，或者我们应该如何干预以改善人类健康，这仍然为未来人类疾病的治疗提供了一个新的方向。

随着越来越多的证据表明肠道菌群对健康的重要性，近年来对肠道菌群的各种研究呈现出井喷的趋势。这些研究将微生物群与各种人类慢性疾病联系起来。研究人员经常使用实验动物模型来为微生物在慢性疾病中的作用提供证据。然而，许多因果推论很难在人群中得到验证。在1月23日的细胞杂志上，亚伯达大学的延斯·沃尔特教授发表了一篇关于肠道菌群研究的文章。他认为，许多研究人员试图通过使用从人类微生物群相关(HMA)啮齿类动物获得的数据来解释宿主病理学和微生物种群变化之间的关系，但是这种跨物种的推断是不可信的，并且夸大了肠道微生物群在人类疾病中的作用。然而，《自然》中的这两篇文章可以在这方面进行补充——它们分别在人体样本和人体器官样模型中发现了相应的证据，表明这些微生物可以直接调节或突变人体细胞，这足以证明肠道微生物在人类健康中发挥着重要作用。

虽然对人类微生物的研究已经进行了很多年，但仍处于起步阶段，微生物对人类的影响可能远远超出我们的想象。这两个共同的研究只描述了共生细菌对人类健康的调节，但作为一个共生的整体，影响将是相互的，以及我们的饮食习惯、卫生习惯等。也很容易影响身体上的共生细菌。谁是原因，谁是这种相互影响的果实？我们有多少共生细菌，哪些是有益的，哪些是有害的？或者在什么条件下它们是有益的和有害的？我们应该怎么做才能与我们体内的共生细菌和平共处，达到双赢的结果？我们能活得更健康并避免生病吗？也许是时候从体内微生物的角度重新认识自己了。