重磅：科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)腸道微生物分泌蛋白可以提高胰島素水平

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2016-12-21 10:04:00【大中小】

近日，俄勒岡大學(xué)的著名生物學(xué)家Karen Guillemin教授團(tuán)隊(duì)的研究人員，又給我們帶來了一個(gè)珍貴的研究成果。她們發(fā)現(xiàn)β細(xì)胞的生長分裂可能是由腸道微生物控制的(Hill， Franzosa et al. 2016)。眾所周知，β細(xì)胞是唯一能夠分泌胰島素的細(xì)胞，這一發(fā)現(xiàn)的重要性不言而喻。據(jù)悉，這是科學(xué)家首次揭示腸道微生物與β細(xì)胞之間的關(guān)系，這一發(fā)現(xiàn)可能給糖尿病的診斷和治療增加一利器。Guillemin教授團(tuán)隊(duì)的這一重要研究刊登在著名開源期刊eLife上。

▲Karen Guillemin教授

早在十多年前，科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)糖尿病與腸道微生物失衡之間存在一定的聯(lián)系(Brown， Davis-Richardson et al. 2011， Giongo， Gano et al. 2011， Kostic， Gevers et al. 2015)，后續(xù)的研究不斷證實(shí)這種相關(guān)性，但是沒有一個(gè)研究能說明這種相關(guān)性背后的原因。

就在學(xué)界一再證實(shí)糖尿病與腸道微生物之間存在關(guān)系，又找不到直接的證據(jù)的時(shí)候，Guillemin教授決定做一個(gè)大膽而艱難的嘗試。

自上個(gè)世紀(jì)六十年代以來，俄勒岡大學(xué)就是研究模式動(dòng)物斑馬魚的頂級(jí)研究機(jī)構(gòu)。Guillemin教授早在15年前就建立了培育無菌斑馬魚的技術(shù)和方法，這使得她們可以在斑馬魚里研究腸道微生物與任何疾病之間的關(guān)系。

▲斑馬魚

她們在開始研究之前做的第一件事就是，再次確認(rèn)腸道微生物與糖尿病之間的確存在關(guān)系。課題的領(lǐng)導(dǎo)者Jennifer Hampton Hill首先比較了腸道無菌斑馬魚和有菌斑馬魚在受精6天之內(nèi)胰島里的β細(xì)胞情況。Hill發(fā)現(xiàn)，與正常的斑馬魚相比，腸道無菌斑馬魚的β細(xì)胞占據(jù)的面積明顯小很多。再測測腸道無菌斑馬魚的「血糖」，發(fā)現(xiàn)顯著高于腸道有菌斑馬魚。這就說明，之前的研究都是沒啥問題的，Hill可以開始深入的研究了。

▲CV：正常斑馬魚的β細(xì)胞生長狀況（綠色）；GF：腸道無菌斑馬魚的β細(xì)胞生長狀況（綠色）。暗示腸道微生物在斑馬魚的β細(xì)胞生長過程中起到重要作用。

接下來要怎么辦呢？其實(shí)很簡單，就是把正常斑馬魚腸道的微生物一種一種的放回到無菌斑馬魚腸道里，再看看哪種腸道微生物加進(jìn)去之后，斑馬魚的β細(xì)胞可以恢復(fù)到正常水平。記得上海交通大學(xué)的趙立平教授曾經(jīng)講過，研究微生物與疾病之間的關(guān)系，我們必須得一種一種來。腸道里的微生物種類可是成百上千的啊，要保證全程無污染的弄到小魚的腸道里。所以說這是一個(gè)非常艱難的工作，但是為了解釋現(xiàn)象背后的原因，Hill也只能拼了。

最后，功夫不負(fù)有心人，Hill真的從斑馬魚的腸道微生物里找到了三種氣單胞菌屬(Aeromonas)細(xì)菌和一種希瓦氏菌屬(Shewanella)細(xì)菌，這四種細(xì)菌可以讓無菌斑馬魚的β細(xì)胞恢復(fù)到正常斑馬魚的水平。如此看來，腸道里的確有操縱β細(xì)胞生長的特殊微生物。

▲Jennifer Hampton Hill在做實(shí)驗(yàn)

那它們是如何在腸道里遙控遠(yuǎn)在胰腺的β細(xì)胞的呢？Hill又在體外培養(yǎng)那三種氣單胞菌屬細(xì)菌，用它們的培養(yǎng)液處理腸道無菌的斑馬魚，發(fā)現(xiàn)這些幼崽的β細(xì)胞一樣可以恢復(fù)到正常水平。如此看來，就是這些氣單胞菌在腸道里產(chǎn)生了特殊的物質(zhì)，這些物質(zhì)通過體液循環(huán)跑到胰腺了。那這種物質(zhì)是蛋白質(zhì)還是無生物活性的化學(xué)物質(zhì)？

于是Hill又干掉了細(xì)菌培養(yǎng)液中的所有蛋白質(zhì)，這回發(fā)現(xiàn)腸道無菌斑馬魚的β細(xì)胞終于不能恢復(fù)到正常水平了。如此看來，是腸道微生物分泌的一種蛋白質(zhì)在起作用。但是細(xì)菌往環(huán)境中釋放的蛋白質(zhì)又是成百上千種，到底是哪種？好在微生物從體內(nèi)往外分泌蛋白質(zhì)的通道只有那么幾個(gè)。于是，Hill又將一種氣單胞菌屬細(xì)菌A. veronii最主要的那個(gè)分泌蛋白質(zhì)的大門給堵上了。這樣一來，就有很多蛋白質(zhì)不能分泌到外界環(huán)境中了。

Hill再用這種氣單胞菌屬的細(xì)菌培養(yǎng)液處理腸道無菌的斑馬魚，發(fā)現(xiàn)斑馬魚的β細(xì)胞還是可以恢復(fù)到正常水平。這就表明，促進(jìn)β細(xì)胞分裂的蛋白可以通過其他的通道出來，這一下又大大縮小了搜尋范圍。剩下的真是沒有更好的辦法細(xì)分了。

于是Hill采用了化學(xué)和物理方法，最終將范圍縮小到了163種蛋白質(zhì)，并確定了它們的蛋白序列。最終通過層層篩選，她最終找到了一個(gè)含261個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)，這個(gè)蛋白質(zhì)可以使腸道無菌斑馬魚的β細(xì)胞恢復(fù)到正常水平，她把這個(gè)蛋白質(zhì)叫做BefA。當(dāng)Hill把氣單胞菌細(xì)菌的BefA基因去掉之后，這種細(xì)菌就喪失了促進(jìn)β細(xì)胞分裂的能力。這再次證明，BefA蛋白是A. veronii唯一可以促進(jìn)β細(xì)胞擴(kuò)大地盤的物質(zhì)。后來，Hill證明，這種擴(kuò)大地盤的現(xiàn)象實(shí)際上是β細(xì)胞變多了。這就意味著，BefA蛋白在達(dá)到胰島之后，是促進(jìn)了β細(xì)胞的分裂。這對于糖尿病患者無疑是個(gè)好消息。

▲CV：正常斑馬魚的β細(xì)胞生長狀況（綠色）；GF：腸道無菌斑馬魚的β細(xì)胞生長狀況（綠色）10165（BefA蛋白代號(hào)）：
加入BefA蛋白之后，腸道無菌斑馬魚β細(xì)胞生長狀況似乎優(yōu)于正常斑馬魚

但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)畢竟是在斑馬魚體內(nèi)完成的，在人體會(huì)有類似的效果嗎？Guillemin教授團(tuán)隊(duì)目前還沒有在人體內(nèi)開展相關(guān)的研究，但是她們做了一個(gè)有指導(dǎo)意義的研究。她們在人腸道內(nèi)找到了幾種腸道微生物，它們可以分泌跟BefA蛋白很像的蛋白，只是相似度不一樣。于是Hill用相似度最高和最低的兩種蛋白處理腸道無菌的斑馬魚，驚喜地發(fā)現(xiàn)，斑馬魚的β細(xì)胞同樣可以恢復(fù)到正常水平。這暗示著，在人體內(nèi)極有可能存在類似的現(xiàn)象。目前Guillemin教授團(tuán)隊(duì)目正在開展深度研究。

「我們這個(gè)研究表明，動(dòng)物的生長發(fā)育可能是依賴于腸道微生物釋放出的信號(hào)，」Hill說，「看到腸道微生物在葡糖糖穩(wěn)定中起到如此重要的作用，實(shí)在是太興奮了。」

「腸道微生物是胰腺發(fā)育的信號(hào)來源，真真是一個(gè)很新鮮的觀點(diǎn)，」Guillemin教授說，「我們花了很多年分離和研究斑馬魚的腸道菌群，我們的努力沒有白費(fèi)，我們發(fā)現(xiàn)了可以調(diào)節(jié)β細(xì)胞生長的BefA蛋白。」

▲I型糖尿病新生兒的腸道微生物種類（紅色）較少

對于I型糖尿病患者而言，他們發(fā)病時(shí)間極早，那個(gè)時(shí)候的β細(xì)胞非常脆弱，容易受到攻擊，如果相應(yīng)的微生物再缺失，會(huì)使小患者的病情雪上加霜。I型糖尿病的發(fā)病因素包括基因和環(huán)境，其中環(huán)境因素就包括腸道微生物。研究表明，人類的β細(xì)胞一般在5歲左右進(jìn)入休眠期，停止分裂生長。因此，在新生兒早期使用抗生素，有可能加大新生兒患I型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)。

Guillemin教授表示，她們目前需要與研究I型糖尿病的研究人員合作，以研究開發(fā)BefA分子作為潛在的治療方法。目前已經(jīng)有很多公司在研發(fā)微生物移植治療疾病的口服膠囊，希望治療糖尿病有朝一日也可以用上類似產(chǎn)品。

參考資料：

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.