根据威尔康奈尔医学研究人员的一项新的临床前研究发现，哺乳动物肠道中的微生物可以显著改变宿主的氨基酸和葡萄糖代谢，几乎就像一个额外的肝脏。
这项研究发表在4月23日的《细胞宿主与微生物》杂志上，为微生物组影响生理机能的方式增加了一项新的研究，并可能带来治疗炎症性肠病和糖尿病等疾病的新策略。
近年来，科学家们发现，生活在人体表面和体内的数十亿微生物深刻地影响着我们的生理机能。文章通讯作者Chun-Jun Guo博士是医学微生物学和免疫学助理教授，也是威尔康奈尔医学院吉尔罗伯茨炎症性肠病研究所的成员，他想更深入地研究肠道中的必需微生物是如何影响我们从摄入的食物中提取营养的。
“它们比我们先‘吃’，先从我们吃的食物中获取营养，在它们满足了自己的营养需求后，把剩下的留给我们，”Guo博士说。
为了更好地理解这一过程，第一作者Ting-Ting Li博士等人评估了自然栖息在我们肠道中的不同细菌(称为人类肠道共生菌)消耗氨基酸(蛋白质的组成部分)的效率。由于许多肠道细菌的代谢功能特征不明显，研究小组在不同的环境下进行了实验，以找到他们研究的最佳条件。在筛选了100多种不同的人类肠道微生物后，研究人员确定了几种在代谢各种膳食氨基酸方面效率很高的微生物。当这些微生物在无菌小鼠(最初没有微生物的小鼠)的胃肠道中定居时，这些氨基酸的水平在宿主的肠道和血液中下降。
研究小组随后确定了消耗氨基酸的特定细菌代谢基因。这是一份很长的清单。“我们发现，在一种细菌中，有超过20种不同的基因编码着类似的酶功能，由于我们已经改进了针对肠道细菌的CRISPR-Cas9基因缺失技术，我们能够进行大规模的基因缺失筛选，并确定细菌中负责消耗氨基酸的代谢基因。”Guo博士说。
科学家们将他们的发现从培养的细胞中移植到动物身上，给无菌小鼠一次注射一株经过基因修饰的细菌。“我们现在可以精确地操纵单个基因来消耗肠道中的氨基酸，这使我们能够评估这些基因的个体功能，并了解它们是如何影响宿主氨基酸稳态的。”Guo博士说。
这项工作产生了一个惊人的结果：通过消耗一类特定的氨基酸，肠道微生物可以改变宿主的血糖稳态。进一步的分析表明，通过改变氨基酸的可用性，微生物似乎影响了神经递质血清素的产生，从而改变了葡萄糖的调节。
Guo博士说:“这些新陈代谢功能很多都可以由肝脏完成，但现在我们发现，肠道微生物群编码的功能类似的酶可以做同样或类似的事情。这就像在肠道里有第二只肝脏在运作。”
该团队目前正在设计新的策略，以更精确地调节细菌酶，并观察细菌的不同组合如何影响宿主的氨基酸代谢。
令人好奇的是，当前研究强调的一些相同基因在消化和代谢疾病患者的肠道微生物群中也存在失调。Guo博士说，针对特定微生物基因或工程细菌菌株的药物可能会提供治疗此类疾病的新方法。
他补充说:“这些代谢基因可能是2型糖尿病或炎症性肠病等疾病的潜在生物标志物，它们也是潜在的治疗目标。”“我们的研究证明了精确操纵肠道微生物群来调节宿主代谢和改善宿主代谢功能的可能性。”
<p>7.派尔集合淋巴结（又称派尔斑）发生中心B细胞免疫球蛋白谱分析</p><p><br/></p><p>通过肠道抗原以及抗原驱动的亲和成熟，小鼠研究为B细胞受体克隆型的选择提供了证据。B细胞受体（简称BCR）和抗体的抗原结合可变区由外显子编码，外显子由发育中的B细胞通过V（D）J重组组装。由于V（D）J基因片段连接处的多样性，原代B细胞的BCR基因库非常庞大，有利于互补性的决定区3（CDR3），即结合抗原的区域。原代B细胞在发生中心通过体细胞超突变和细胞选择进行抗原驱动的BCR亲和力成熟，多数中心发生是暂时的，但是，依赖于肠道微生物的肠派尔斑中的发生中心却是慢性的，这部分对BCR序列或体细胞超突变模式的影响知之甚少。</p><p><br/></p><p>本文通过高通量分析V（D）J片段和体细胞超突变谱，阐明了小鼠派尔斑发生中心中的生理BCR序列，拓展了公共BCR克隆型，这些克隆型在免疫球蛋白重链中常常具有典型的CDR3，由于V（D）J重组过程的连接偏差，其出现频率远高于在原始B细胞中的预测。一些公共克隆型依赖于肠道微生物群并编码对细菌聚糖有反应的抗体，而另一些则独立于肠道细菌。</p><p><br/></p><p>将不携带特定病原体的小鼠的粪便转给无细菌小鼠，能够修复依赖于细菌的克隆型，表明与BCR选择有关。研究人员鉴定了在这种公共克隆型中反复选择的体细胞高突变，表明在稳态条件下小鼠派尔斑发生中心发生亲和力成熟。因此，持久性肠道抗原选择周期性BCR克隆型，播下了慢性派尔斑发生中心反应的种子。</p><p><br/></p><p>8. X染色体和Y为什么能走到一起</p><p><br/></p><p>同源重组在男性身上是一个巨大的挑战，因为X染色体的绝大部分并没有东西与之配对。事实上，很小的Y染色体只有很小的部分与X有一些同源性。这个区域被称为伪常染色体区（pseudoautosomal region，PAR），这对于确保X和Y分别进入不同的精子细胞是至关重要的。</p><p><br/></p><p>X和Y的正确配对的关键是在PAR中重复的DNA序列，它吸引了几个双链断裂相关蛋白到这个区域。这些蛋白质簇——被称之为“斑点（blobs）”——改变了这个区域中染色体的结构，从而使PAR成为“雄性小鼠基因组中双链断裂形成最热的区域”。 在已发表的研究中也发现了类似的斑点，但本文共同通讯作者是第一个定义这些斑点中的物质并将它们与该区域双链断裂的过度积累联系起来的人。</p><p><br/></p><p>9. RNA-RNA空间相互作用全局原位分析——RIC-seq</p><p><br/></p><p>RNA原位构象测序（简称RIC-seq）可以在细胞内生成RNA的三维相互作用图谱，揭示RNA的相互作用和调控功能。高结构RNA分子之间通常存在相互作用，并与各种RNA结合蛋白结合，以调节关键的生物学过程。然而，完整细胞中的RNA结构和相互作用在很大程度上仍是未知的。</p><p><br/></p><p>通过将RNA结合蛋白介导的邻近连接与深度测序耦合，本文报道了一种RNA原位构象测序（RIC-seq）技术，用于分子内和分子间RNA-RNA相互作用的全局分析。这项技术不仅可以概括已知的RNA二级结构和三级相互作用，而且有助于在人类细胞中生成RNA的三维相互作用图。</p><p><br/></p><p>利用这些图谱，我们可以全局识别非编码RNA靶点，识别RNA拓扑结构域和反式相互作用中心。研究人员发现增强子和启动子的功能连接性可以通过它们的成对相互作用的RNA来分配。此外，研究人员还发现CCAT1-5L-a超级增强子hub RNA与RNA结合蛋白hnRNPK以及来自MYC启动子和增强子的RNA相互作用，通过调节染色质环来促进MYC的转录。本研究证明了RIC-seq在发现RNA的三维结构、相互作用和调控作用方面的能力和适用性。</p><p><br/></p><p>10. RNA结构多样性的测定及其在HIV-1 RNA剪接中的作用</p><p><br/></p><p>硫酸二甲酯突变图谱分析与测序结合，结合最新发展的DREEM算法，揭示HIV-1中RNA结构的异质性调节剪接位点的使用和病毒基因的表达。</p><p><br/></p><p>人类免疫缺陷病毒1（HIV-1）是一种具有10千碱基单链RNA基因组的逆转录病毒。HIV-1必须从一个单一的原始转录本中表达其所有基因产物，该转录本经历选择性剪接以产生包括结构蛋白和调节因子在内的多种蛋白质产物。</p><p><br/></p><p>尽管选择性剪接具有关键作用，但推动剪接位点选择的机制却鲜为人知。导致剪接和病毒复制严重缺陷的同义RNA突变表明存在未知的顺式调节元件。</p><p><br/></p><p>本文使用硫酸二甲酯突变图谱分析（DMS-MaPseq）来研究细胞中HIV-1 RNA的结构，并开发了一种算法，命名为 “使用期望最大化（DREEM）检测RNA折叠组合”，它揭示了由同一RNA序列假设的替代构象。与以往分析人群平均数的模型不同，这项结果揭示了整个HIV-1基因组中RNA结构的异质区域。除了证实细胞中也存在HIV-1 Rev反应元件的5种替代结构外，还发现了影响转录亚型比例的关键剪接位点的替代构象。对剪接和细胞内RNA结构的同时测量为长期以来的假设提供了证据，即RNA构象的异质性确实可以调节剪接位点的使用和病毒基因的表达。</p><p><br/></p><p>11. TASK-1的X射线晶体结构</p><p><br/></p><p>钾通道TASK-1的X射线晶体结构揭示了X门控的存在，该门控将小分子抑制剂困在膜内前厅，这个结构的存在可以解释它们在通道中的低冲刷率。</p><p><br/></p><p>在神经元、心肌细胞和血管平滑肌细胞中发现的TWIK相关酸敏感钾离子通道（TASK），参与心率、肺动脉张力、睡眠/觉醒周期和对挥发性麻醉剂的反应。与其他K2P通道不同，该通道能够结合具有高亲和力、特殊选择性和非常缓慢的化合物清除率的抑制剂。因此，它们是阻塞性睡眠呼吸暂停和心房纤颤的临床治疗的潜在药物靶点。</p><p><br/></p><p>这篇新文章展示了TASK-1的X射线晶体结构，表明它包含一个较低的门，研究人员将其命名为X门。该结构由六个残基形成，这些残基对挥发性麻醉剂、神经递质和G蛋白偶联受体的反应至关重要。X门和周围区域内的突变显著影响通道开放率和麻醉剂对通道的激活。与两种高亲和力抑制剂结合的结构构象表明，这些抑制剂被困在X门的前厅，这解释了它们异常低的洗脱率。X门的存在解释了其生理和药理行为的许多方面，这将有助于今后开发和优化治疗心肺和睡眠障碍的TASK调节剂。</p><p><br/></p>