Nature聚焦微生物組的家

　　人體內充滿了微小的微生物，這些成百上千的細菌物種被統稱為微生物組(microbiome)，人們認為它們有助于人體的健康與生存。胃腸道，尤其是結腸是最高密度和最高多樣性細菌物種的家園。然而由于食物和流體的通過，這一系統不斷發生變化，這些生物體是如何能夠存留于其中并旺盛生長的呢?

　　由加州理工大學生物學家Sarkis Mazmanian領導的一個研究小組認為他們已經找到了答案：至少在一類常見細菌群中，一組基因促進了微生物穩定定居于腸道。研究發現在線發表在8月18日的《自然》(Nature)雜志上。

　　“通過了解這些微生物的定居機制，或許有一天我們能夠想出一些方法糾正微生物群體中的異常改變——人們認為這些改變與諸如肥胖、炎癥性腸病和自閉癥等疾病有關，”Mazmanian說。Mazmanian的研究工作主要是探索人類腸道細菌與健康之間的聯系。

　　研究人員通過一系列的實驗將擬桿菌屬(Bacteriodes)導入到無菌的小鼠中開始展開他們的研究。擬桿菌屬包含有幾十個細菌物種，之所以選擇它是因為它是人類微生物組中最豐富的菌屬之一，能夠在實驗室中培養(這不同于大多數的腸道細菌)，能夠進行遺傳改造導入特異突變。

　　Mazmanian說：“擬桿菌屬是微生物組中唯一滿足這三個標準的菌屬。”

　　論文的主要作者S. Melanie Lee首先將一些不同的細菌物種導入到一只小鼠體內，看看它們是否會為了定居于腸道而彼此競爭。結果它們看起來似乎和平共處。隨后，Lee將一種特殊的物種：脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)移植到小鼠體內，并用相同的菌種接種小鼠，看看它們是否將共存于同一宿主體內。讓研究人員驚訝的是，新導入的細菌不能在小鼠腸道中持續存留，盡管同一物種已經定居于這一物種。

　　Lee 說：“我們知道這一環境中可以容納數百個物種，為什么相同的物種會存在競爭?當然不會是因為缺乏空間或是營養物質，當我們試圖讓一個物種‘過度移居’小鼠時就會得到這一非常強大且一致的研究結果。”

　　為了解釋這些研究結果，Lee和研究小組提出了一個所謂的“飽和微環境(niche)假說”。這一假說認為通過讓一種特異的生態環境達到飽和，生物體將有效地排除相同的物種來占據這一微環境。但它不會阻止其他密切相關的物種來寄居腸道，因為這些物種有著自己特殊的微環境。遺傳篩查揭示了一組從前未確定特征的基因，研究人員將它們命名為共生定居因子(commensal colonization factors，CCF)，它們是脆弱擬桿菌物種特異性定居的必要及充足條件。

　　但飽和的微環境到底是什么?結腸中充滿了混合的食物、糞便物和細菌，它無法為生物體提供太多的掠奪和占據空間。

　　Mazmanian 說：“Melanie猜測，這一飽和的微環境是宿主組織，也就是腸道自身的一個組成部分。當她3-4年前提出這一假說時，這絕對是一個異端學說，因為該領域的其他研究人員認為我們腸道中的所有細菌都生活在腸道中心的腸腔內，與宿主即我們的身體零接觸。這一觀點背后的理論基礎是，如果細菌與宿主有接觸，就會引起一些免疫反應。”

　　然而，當研究人員采用先進的成像方法檢測寄居脆弱擬桿菌的小鼠結腸組織時，他們發現一小部分的微生物生活在結腸的隱窩(crypt)中。定居在隱窩內，細菌避免了受到不斷流動通過胃腸道的物質的傷害。為了測試CCF系統是否在隱窩中調控了細菌定居，研究人員注入了一種沒有CCF系統的突變細菌到無菌小鼠結腸內，結果這些細菌無法移居于隱窩。

　　Mazmanian 說：“隱窩中有一些我們現在還不知道的東西，正常的脆弱擬桿菌利用了它來通過CCF系統獲得立足處。發現隱窩是該領域的一個重大的進展，因為它證實細菌與宿主發生了身體接觸。并且在Melanie完成的所有實驗中，穩態得以維持。因此，與流行的觀點相反，沒有證據表明炎癥是細菌接觸宿主的結果。事實上，我們認為這些隱窩是擬桿菌屬以及有可能其他的細菌類型永久的家。”

　　他說當前的論文確定了CCF系統是細菌定居和生長的一種機制，并發現了結腸中的隱窩是物種特異性的，從而解答了該領域長期以來關于微生物建立和維持長期定居機制的謎題。

　　Lee 說：“我們研究的還只是極少數的生物，盡管它們的數量豐富，但很顯然它們不能代表腸道中所有的生物。許多其他的細菌沒有CCF基因，因此現在的問題是：這些生物是否以某種方式依賴與擬桿菌屬的相互作用，實現了自身的移居、繁殖是定位?”

　　研究人員懷疑擬桿菌屬是重要的物種，是構建腸道生態系統的必要因子，接下來他們計劃調查功能性異常，例如無法存留于隱窩，是否可能會影響整個微生物組以及導致身體疾病狀態。

　　“該研究闡明了這一觀點：即我們并非是孤獨的。我們過去知道我們的腸道中有細菌，新研究證實特定的微生物與我們的身體密切相關。它們非常接近于我們的組織，我們不能忽略微生物對于我們的生物學或健康的貢獻，它們是我們的一個組成部分。”