沙龙速记 | 吴萌：Gordon二三事与我们的惊艳研究

MITOMMY 2016-01-22

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经过十几天的校对修正，大家期待的吴萌博士在1月5日清华沙龙上的演讲速记稿终于搞定了，热心肠先生今天特别推给大家。

先发几张当天活动的照片，大家再感受一下现场有多火爆：

继续再卖一个小广告，昨天告诉大家的微信群，今天已突破800人。群里基础研究、临床和转化的大牛云集，赵立平、杨瑞馥等顶级专家更是倾力参与讨论，如希望入群，请加热心肠先生个人微信号（注明单位和职务）：

下面介绍吴萌博士：

吴萌博士，美国圣路易斯华盛顿大学访问学者

清华大学生物科学与技术系本科，圣路易斯华盛顿大学人类和统计遗传学博士，师从世界著名肠道菌群研究专家，美国科学院、医学院双院士Jeffrey Gordon，长期从事肠道菌群与人类健康研究，并在Science, Science Translational Medicine，Nature Protocols，PNAS，PLoS Biology等本领域高影响因子期刊上发表学术论文12篇，文章总引用率多达670次。同时多次参加国际学术研讨会并被邀请发表学术报告，获得了包括“未来科学基金奖”在内的多个奖项。

以下是吴萌博士在沙龙上演讲的速记：

非常感谢热心肠先生的邀请，也非常高兴今天有这样一个机会跟大家一起交流学习。

我今天报告的题目是从益生菌到益生元，这是一个将微生物遗传学和基因组测序结合在一起的课题，涉及到新的精准调控肠道微生物的技术开发及应用。

在正式报告之前，热心肠先生想让我先介绍一下Jeffrey的实验室。我觉得这是一个很有难度的“任务”，因为Jeff实验室从事肠道健康的研究至今已经有30多年了。在这30多年的研究中，实验室的研究涉及了肠道健康的很多方向，如何能够全面介绍这么系统庞大的研究的确很难。所以，我自己先做了一下功课，于是发现了2015年Keio奖的关于Jeff的获奖介绍。

Jeff获奖很多，我选取这个获奖介绍的原因是因为从它的行文中，我可以明显的看出这是Jeff自己写的，因为这跟他写文章的风格一样，词汇量非常大，内容非常多，体现了他一贯的治学严谨，条理清晰的特点。

这个介绍首先是从对肠道菌群的定义开始的，这是他一直强调的内容：肠道菌群是指在我们的肠道中生活的数以万计的微生物，包括了原核生物，真核生物和古细菌。同时，他还强调了元基因组和菌群的不同，元基因组指的是所有肠道菌群中存在的超过人类基因数目10倍以上的微生物的基因。

回到介绍Jeff的实验室，必须先谈一下他所受的专业训练背景，他是一个医学博士(MD)，并且是胃肠道方向的专科医生。然而他在美国国立健康研究院（NIH）做完研究以后，没有选择做一名职业医生，而是建立了自己的实验室，开始全职做研究。

实验室建立之初是用一些传统的生化和细胞生物学的方法，研究肠道发育等相关课题。大概从2000年左右，实验室发现一些细菌能够对肠道细胞的发育产生影响，这一结果让Jeff逐渐从对肠道发育的研究转移到对肠道菌群的研究。目前实验室的研究方向主要集中在肠道菌群与代谢的相互作用。

下面我将结合自己的一些工作具体介绍一下Jeff实验室。

很久以来，科学界对于微生物的研究大都集中在病原体，很少有人去关注与我们共生的细菌。2003年的时候，Jeff发表了一篇类似社论的文章（“Response from Jeffrey I. Gordon et al,: Commensal Bacteria make a difference”)。在这篇文章中，Jeff旗帜鲜明的提出这些共生菌对我们的健康和发育有着至关重要的作用，虽然当时大家对这个领域还存在着一定的质疑。

传统的微生物学研究主要基于分离单株细菌，然后在实验室通过培养的方法研究，但是因为肠道菌群本身独特的性质，绝大多数肠道细菌都是厌氧菌，而且它们的生活环境及营养要求我们并不是特别清楚，所以用传统的分离培养的方法，并不能很好地把肠道菌群分离出来。因此，很长一段时间，我们对肠道菌群的了解非常有限。从我个人来说，在加入Jeff实验室之前，我对肠道菌群的了解就是大肠杆菌，但是实际上大肠杆菌只占肠道菌群的1%不到。

然而，新一代测序技术的发展，却意外地给肠道菌群的研究打开了新的方向。通过测序的方法，我们可以快速鉴定到底是哪些微生物生活在我们的肠道环境中；同时通过对这些微生物的全基因组进行测序，我们还可以知道哪些基因存在于这些微生物里，而通过对这些基因功能的研究，我们就可以推测出肠道菌群所携带的一些功能和对宿主的作用。

2005年，Eckburg et al, 首次用测序方法对肠道菌群的组成进行了分析，发现我们的肠道细菌主要有两个大门，Bacteroidetes（拟杆菌门）和Firmicutes（厚壁菌门）。虽然后续的研究中采用了更多的样本和更为先进的方法，但这个研究的结论一直适用。后续研究陆续揭示肠道菌群的结构改变和很多人类疾病相关，比如说IBD (炎性肠病)，还有肥胖和二型糖尿病，但是究竟肠道菌群与这些疾病是否存在因果关系仍然是一大难题。

为了攻克这一难题，Jeff的实验室利用无菌小鼠作为动物模型进行了一系列的对照实验，初步揭开了肠道菌群与肥胖之间的关系。

首先，通过对无菌小鼠和正常环境中饲养的老鼠进行对比，Jeff及其同事发现肠道菌群对于调节动物的脂肪储存有着一定的影响。然后，他们比较了ob/ob（遗传性肥胖）小鼠和正常老鼠的肠道菌群，发现两者的菌群组成有着显著的不同。

为了研究这些菌群差异性与宿主表型之间的关系，他们将ob/ob老鼠和正常老鼠的肠道菌群转入无菌小鼠体内，饲养一段时间之后，他们发现，转入肥胖小鼠肠道菌群的无菌小鼠，其身体肥胖组织有了显著性地增加。

更有意思的是，Jeff实验室还收集了一些肥胖性状差异的双胞胎病人样品，其中一个是肥胖型，另一个是正常类型。将这些遗传背景完全相同，但是肥胖性状不同的双胞胎的肠道菌群分别转入无菌小鼠之后，他们惊奇地发现，不仅老鼠的肠道菌群可以“传染”老鼠，人类的肠道菌群也可以将人的肥胖性状“传染”给了小鼠。

2013年，Jeff实验室又创造性地将肠道菌群与肥胖的研究推进了一步。在之前双胞胎研究的基础上，他们把携带“肥胖型人类肠道菌群”的老鼠和携带“正常人肠道菌群”的老鼠共处一室，发现“正常人肠道菌群”能够入侵到携带“肥胖型肠道菌群”的老鼠体内，从而阻止了后者肥胖相关的代谢特征的出现。

这一实验结果证实了一些特定的细菌的确可以成为维护我们健康的有益菌，然而我们也必须意识到这个入侵并且改变宿主性状的现象，只出现在喂食低肪高纤维的食物条件下。当给老鼠喂食高脂低纤维的食物时，入侵现象并没有出现，而携带“肥胖菌群”的老鼠，仍然发展出了一些肥胖相关的性状，这就是说即使有潜在的益生菌存在，如果没有一个合适的环境，这些益生菌也无法完成入侵宿主，稳定定植和维护健康的使命。

因此，我们对于肠道菌群的研究和应用，应该分两步走：

第一步，寻找可以用来治疗疾病，维护健康的有益细菌，称之为益生菌。

第二步：在发现这些益生菌之后，我们需要知道如何让这些益生菌稳定移植到一个竞争激烈的肠道环境中。

探寻益生菌很难，移植并稳定定制益生菌更难。因为它涉及到调节这些细菌所需要的微环境，包括他们必须的营养物质，与宿主免疫系统之间的交互关系，以及与菌群中的其他细菌的相互作用。目前我的研究基本上就集中在第二步。

我所使用的模式细菌是Bacteroides spp.（拟杆菌），选取它作为研究对象的主要原因是：（1）如前所述，拟杆菌在健康人肠道菌群中所占比例非常高（2）它们对人类健康起着非常重要的作用，例如肥胖。（3）通过对他们的基因组测序，我们发现拟杆菌拥有很多可以用来降解植物多聚糖的酶，而这些酶能够帮助我们消化那些自身无法直接消化的食物。（4）另外，这类细菌在目前实验室条件下可以体外培养，因此能够通过实验的手段对他们进行改造。

在我的研究中，结合微生物遗传学和基因组学，开发了一种新的肠道菌群研究方法－多类插入序列分析multi-taxon Insertion Sequencing (INSeq)，利用高通量测序技术，动态的检测饮食对于肠道细菌结构的影响，鉴别调节细菌适应多变食物的基因，从而为探寻新的益生菌以及可以促进这些益生菌生长的成分－益生元铺平了道路。

这个方法的第一步是给细菌装上“条形码”。用微生物遗传学的方法，我们对4种人体肠道内常见细菌，解纤维芽胞杆菌 ,卵圆类杆菌和两个多形拟杆菌亚种，进行了基因突变。我们把带有条形码的转座子插入到他们的基因组中，造成插入位点的基因功能的丧失，从而产生了一个特异基因缺失的突变株，构建了四个含有几百万个异源转座子突变株的突变库。

然后将突变库放入感兴趣的环境中，通过高通量测序，我们可以对突变库中每一个突变株的丰度进行检测。通过比较各个突变株在该环境中的前后丰度的变化，我们创建了统计模型，计算出了每个突变株在该环境下的“健康指数”。“健康指数”显著降低的突变株所携带的突变基因就是细菌适应该环境的重要基因。

有了突变库之后，第二步就是建立“人类肠道菌群模拟化”的老鼠模型了。我们把人类肠道细菌（包括我们的四个突变库）移植到在无菌隔离系统中饲养繁育的小鼠体内，使他们仅携带人类肠道细菌，成为从肠道菌群角度来说的“人类化”老鼠，并分别给他们喂食不同的人类食物：以高脂肪高糖为代表的典型西方食物和低脂肪高植物纤维素的健康食品。

接下来，利用第二代测序方法，动态监控在不同食物饲养下老鼠体内菌群结构的变化，以及基因表达。这些的突变库的测序数据让我们首次有机会能够从基因层面研究肠道菌群是如何适应不同环境的。通过对条形码的比对，我们可以准确记录每个突变株在放入小鼠体内前后的丰度变化，那些由于转座子插入而导致基因功能缺失，丰度显著下降的突变株便是我们要找的突变株，因为他们的突变基因就是在这一环境中起重要功能的基因。

最后，我想以一个例子说明我们是如何使用这一方法发现了一个可以对肠道菌群结构进行精准调控的益生元。

B. cellulosilyticus WH2（解纤维芽胞杆菌）是从一个健康人的粪便中分离出来的，目前已知的拥有最大基因组的拟杆菌，并且其基因组中携带多种降解植物多聚糖的基因，因此它是一个潜在的有极强降解植物多聚糖能力的肠道细菌。

在我们的实验中发现，这个菌在喂食低脂肪高植物纤维素的小鼠的肠道菌群中占～40%，但在高脂高简单糖的环境中只占～20%，这与我们之前胖瘦肠道菌群入侵实验的结果是一致的。

因此，我们希望通过Multi-taxonINSeq发现一些解纤维芽胞杆菌在高脂多单糖环境中生存所需的重要基因，用他们做为靶点，来调控这个菌在高脂多单糖环境的丰度。

通过multi-taxon INSeq，我们发现解纤维芽胞杆菌有一个基因簇的多个突变株只在西方食品中显示过低的“健康指数”，这一结果表明这个基因簇对解纤维芽孢杆菌在西方食品中的生长起重要作用，那么我们可不可以用它做靶点呢？

通过体外实验，我们发现最常见的谷物半纤维素Arabinoxylan (阿糖基木聚糖)是这个基因簇的底物，于是我们决定在老鼠的食用水中加入半纤维素阿糖基木聚糖，然后检测它是否能够调节解纤维芽胞杆菌在肠道内的丰度。

我们首先喂养两组老鼠相同的高脂多单糖的食物，然后一组老鼠供给正常水，另外一组老鼠供给含15%阿糖基木聚糖的水，60天以后，我们检测解纤维芽胞杆菌在两组老鼠体内的丰度。在正常饮用水对照组中，解纤维芽胞杆菌的丰度只有20%左右，跟我们之前看到的现象是一致的，但是在供给含有阿糖基木聚糖的水的实验组中，解纤维芽胞杆菌的丰度增加到了40%以上。因此，阿糖基木聚糖有成为益生元的潜力。