Nature聚焦微生物组的家
人体内充满了微小的微生物，这些成百上千的细菌物种被统称为微生物组(microbiome)，人们认为它们有助于人体的健康与生存。胃肠道，尤其是结肠是最高密度和最高多样性细菌物种的家园。然而由于食物和流体的通过，这一系统不断发生变化，这些生物体是如何能够存留于其中并旺盛生长的呢?
由加州理工大学生物学家Sarkis Mazmanian领导的一个研究小组认为他们已经找到了答案：至少在一类常见细菌群中，一组基因促进了微生物稳定定居于肠道。研究发现在线发表在8月18日的《自然》(Nature)杂志上。
“通过了解这些微生物的定居机制，或许有一天我们能够想出一些方法纠正微生物群体中的异常改变——人们认为这些改变与诸如肥胖、炎症性肠病和自闭症等疾病有关，”Mazmanian说。Mazmanian的研究工作主要是探索人类肠道细菌与健康之间的联系。
研究人员通过一系列的实验将拟杆菌属(Bacteriodes)导入到无菌的小鼠中开始展开他们的研究。拟杆菌属包含有几十个细菌物种，之所以选择它是因为它是人类微生物组中最丰富的菌属之一，能够在实验室中培养(这不同于大多数的肠道细菌)，能够进行遗传改造导入特异突变。
Mazmanian说：“拟杆菌属是微生物组中唯一满足这三个标准的菌属。”
论文的主要作者S. Melanie Lee首先将一些不同的细菌物种导入到一只小鼠体内，看看它们是否会为了定居于肠道而彼此竞争。结果它们看起来似乎和平共处。随后，Lee将一种特殊的物种：脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)移植到小鼠体内，并用相同的菌种接种小鼠，看看它们是否将共存于同一宿主体内。让研究人员惊讶的是，新导入的细菌不能在小鼠肠道中持续存留，尽管同一物种已经定居于这一物种。
Lee 说：“我们知道这一环境中可以容纳数百个物种，为什么相同的物种会存在竞争?当然不会是因为缺乏空间或是营养物质，当我们试图让一个物种‘过度移居’小鼠时就会得到这一非常强大且一致的研究结果。”
为了解释这些研究结果，Lee和研究小组提出了一个所谓的“饱和微环境(niche)假说”。这一假说认为通过让一种特异的生态环境达到饱和，生物体将有效地排除相同的物种来占据这一微环境。但它不会阻止其他密切相关的物种来寄居肠道，因为这些物种有着自己特殊的微环境。遗传筛查揭示了一组从前未确定特征的基因，研究人员将它们命名为共生定居因子(commensal colonization factors，CCF)，它们是脆弱拟杆菌物种特异性定居的必要及充足条件。
但饱和的微环境到底是什么?结肠中充满了混合的食物、粪便物和细菌，它无法为生物体提供太多的掠夺和占据空间。
Mazmanian 说：“Melanie猜测，这一饱和的微环境是宿主组织，也就是肠道自身的一个组成部分。当她3-4年前提出这一假说时，这绝对是一个异端学说，因为该领域的其他研究人员认为我们肠道中的所有细菌都生活在肠道中心的肠腔内，与宿主即我们的身体零接触。这一观点背后的理论基础是，如果细菌与宿主有接触，就会引起一些免疫反应。”
然而，当研究人员采用先进的成像方法检测寄居脆弱拟杆菌的小鼠结肠组织时，他们发现一小部分的微生物生活在结肠的隐窝(crypt)中。定居在隐窝内，细菌避免了受到不断流动通过胃肠道的物质的伤害。为了测试CCF系统是否在隐窝中调控了细菌定居，研究人员注入了一种没有CCF系统的突变细菌到无菌小鼠结肠内，结果这些细菌无法移居于隐窝。
Mazmanian 说：“隐窝中有一些我们现在还不知道的东西，正常的脆弱拟杆菌利用了它来通过CCF系统获得立足处。发现隐窝是该领域的一个重大的进展，因为它证实细菌与宿主发生了身体接触。并且在Melanie完成的所有实验中，稳态得以维持。因此，与流行的观点相反，没有证据表明炎症是细菌接触宿主的结果。事实上，我们认为这些隐窝是拟杆菌属以及有可能其他的细菌类型永久的家。”
他说当前的论文确定了CCF系统是细菌定居和生长的一种机制，并发现了结肠中的隐窝是物种特异性的，从而解答了该领域长期以来关于微生物建立和维持长期定居机制的谜题。
Lee 说：“我们研究的还只是极少数的生物，尽管它们的数量丰富，但很显然它们不能代表肠道中所有的生物。许多其他的细菌没有CCF基因，因此现在的问题是：这些生物是否以某种方式依赖与拟杆菌属的相互作用，实现了自身的移居、繁殖是定位?”
研究人员怀疑拟杆菌属是重要的物种，是构建肠道生态系统的必要因子，接下来他们计划调查功能性异常，例如无法存留于隐窝，是否可能会影响整个微生物组以及导致身体疾病状态。
“该研究阐明了这一观点：即我们并非是孤独的。我们过去知道我们的肠道中有细菌，新研究证实特定的微生物与我们的身体密切相关。它们非常接近于我们的组织，我们不能忽略微生物对于我们的生物学或健康的贡献，它们是我们的一个组成部分。”
