Cell子刊綜述：腸道菌群與宿主進化

日期：2016-04-26 09:24:35

科學家們越來越認識到，腸道菌和其他微生物對我們健康的重要性，但是，加州大學伯克利分校的生物學家在問：這些微生物——我們的微生物組，是否通過操縱進化，而在塑造我們自己的過程中，發揮一定作用呢？

生物學家收集的證據表明，動物及其共生體（通常是生活在體表或體內的細菌）之間的相互依存，對這兩者的進化有影響。但是，加州大學伯克利分校的綜合生物學助理教授Michael Shapira認為，我們身體的不同微生物群，有著更為深刻的影響，為了生存，它們以一種親密的協作，顯著加劇了進化。

最近在《Trends in Ecology and Evolution》發表的一項研究中，Shapira——致力于研究秀麗隱桿線蟲的腸道微生物，有證據顯示，微生物群通過與宿主一起進化，或通過在關鍵時刻介入以幫助宿主適應一個新的環境挑戰，影響并有助于宿主的進化。

他說，這些例子，支持相對較新的全基因組（hologenome）概念，該術語指，宿主及其微生物的基因組，也許包括皮膚上、腸道中甚至生殖器官中成千上萬不同種類的細菌。在他最近的一篇論文中，Shapira闡述了特拉維夫大學研究人員在2008年的一項提議：進化對全基因組起作用，而不是單獨地對宿主及其微生物群的基因組起作用。這意味著，隨著宿主進化以適應不斷變化的環境，其微生物群在指導和參與其進化的過程中，發揮關鍵的作用。

Shapira說：“當我看到Ilana Zilber-Rosenberg和Eugene Rosenberg描述全基因組概念的文章時，這出乎我的意料。動物可能不完全基于自己的基因組進行選擇，而是借助于更多，從而為以前人們想象不到的進化路徑，開啟了大門。”Shapira進一步闡述了這個概念，包括關于生物體之間共生關系的一些驚人發現，因為它們彼此依賴，結合在一起。

蚜蟲和它們的腸道細菌

Shapira說，宿主及其共生體共進化的例子，在我們身邊到處都是。據證明，蚜蟲依靠細菌，提供蚜蟲不能制造、并無法輕易從飲食獲得的必需氨基酸，而細菌——叫做Buchnera的一個集群，以樹葉來源的糖的形式，可得到這些氨基酸。

研究人員檢測了不同種類蚜蟲及其腸道細菌的基因，他們發現，在進化過程中新蚜蟲物種的出現，反映在昆蟲的Buchnera共生體中的物種形成事件。這演示了這兩個物種的命運相連如何引起了共進化。但Buchnera并不孤單。后續工作還表明，蚜蟲還具有其他不那么重要的共生體，或依賴它們的宿主，但是幫助昆蟲在不斷變化的環境中適應新的生態位。

Shapira表明，總之，這些物種代表了一個基本的全基因組，具有必不可少的、共同進化的共生體，但也具有龐大的微生物，用于靈活適應不斷變化的環境。適應新環境，可能導致人口分散、隔離，和隨后一個新物種的進化。Shapira說，這是與共生體一起生活的一個關鍵結果，他相信，微生物群，包括許多類型的共生體，代表了這種蚜蟲-共生體關系的擴展版本。

在果蠅進行的一個實驗演示了這一點。當喂食不同類型的食物時，果蠅發展出不同的腸道微生物群，可更善于處理可用的食物。

然而，他說：“令人驚訝的結果是，在一代的時間內，果蠅對自己的類群發展出了擇偶偏好，忽略了其他類群，這依賴于幫助它們利用食物的腸道微生物。實際上，這導致了兩個種群的生殖隔離，并可能促進未來的物種形成。”

線蟲的肚子不適

在他自己的實驗室里，他在富含不同類型產物的土壤上養線蟲——例如，含糖和纖維，他們發現，無論什么食物來源，以及隨之而來的環境微生物多樣性，線蟲在其腸道也有類似的細菌。不同食物的平衡變化，也出現在人類身上。例如，與素食者相比，高脂肪含量飲食的人，有不同的微生物群，雖然在人類中，確定一個核心的微生物群更難。

研究表明，這些腸道細菌有助于宿主生活的許多方面，包括發育、生育、新陳代謝、免疫和行為。例如，無微生物的小鼠不能發展出強大的免疫系統，而線蟲則依靠一些腸道微生物來抵抗細菌。

Shapira在他的論文中提出，動物和一套核心細菌一起進化，它們可以適應不斷變化的環境，也許，隨著時間的推移，會成為新的物種。在我們腸道中游來游去的其他細菌，與我們的基本功能關系不大，但受到不斷變化的環境的影響，理想上可作為一種資源，來幫助我們適應飲食的突然改變或毒素。

在考慮這些可能性時，Shapira借鑒了共生的不同例子。例如，最近的一個實驗顯示，一種昆蟲——寬頭臭蟲，由于獲得了一種可解毒的腸道微生物，因此它們能在接觸農藥后生存下來。

他說：“在我看來，這是有許多靈活的微生物的優勢的一個例子。你可以交換它們的環境,你可以得到能夠更好保護自己的菌株。這是實現適應性的一種方式。”

Shapira的提議也意味著，某些微生物群——也就是說，核心微生物群，可能被傳遞給一個人的后代，但是其他部分，屬于靈活的微生物部分，可以與環境交換。宿主或微生物的變化，會改變整個全基因組。

他說：“科學家們日益認識到，事實上所有的動物都與復雜的微生物群落形成一種共生關系，應該擴大我們考慮‘共生互動關系如何影響宿主進化’的框架”。

Shapira計劃未來開展秀麗隱桿線蟲的實驗，來檢驗這些想法，并澄清宿主及其微生物群之間的互利關系。