重磅：科學家首次發現腸道微生物分泌蛋白可以提高胰島素水平

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記得老編輯有天對我講，「有些投資人告訴我，現在微生物領域是投資熱點，大家都在看項目，但是好的項目實在是太少了。」

近十年來，二代測序技術不僅催生了一大批專註於人體基因組的公司，也孕育了一大批關注人體腸道微生物的公司。幾乎每周都有腸道微生物的重磅研究進展刊登在各個頂級期刊上，然後迅速刷爆朋友圈。科技的確是第一生產力。

然而，如果你仔細看一下大多數腸道微生物的研究論文，你可能會產生跟投資人類似的迷茫：腸道微生物與疾病相關性的研究非常多，但是鮮有研究能說出背後的原因。這就意味著，科學家知道腸道微生物與健康有關，但是存在什麼樣的因果關係，目前還不清楚。這嚴重製約了腸道微生物研究成果的轉化。這也是投資人口中「好項目少」的原因。

▲如上圖所示，我們知道腸道微生物與多種疾病之間存在相關性，但是背後的因果關係並不明確。

於是每一個能夠闡明腸道微生物與疾病之間關係的研究，都顯得彌足珍貴。例如，克利夫蘭診所Stanley L. Hazen研究團隊闡明了腸道微生物與動脈硬化之間的關係；美國東北大學的微生物學家Philip Strandwitz團隊闡明了腸道微生物與抑鬱症之間的關係；瑞士洛桑聯邦理工學院Patrick Aebische團隊闡明了腸道微生物與衰老之間的關係；耶魯大學醫學院Gerald I Shulman教授團隊闡明了腸道微生物與肥胖之間的關係。由於這些研究基本說明了腸道微生物與相應健康問題之間的因果關係，因此存在極大的轉化價值。

近日，俄勒岡大學的著名生物學家Karen Guillemin教授團隊的研究人員，又給我們帶來了一個珍貴的研究成果。她們發現β細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細胞是唯一能夠分泌胰島素的細胞，這一發現的重要性不言而喻。據悉，這是科學家首次揭示腸道微生物與β細胞之間的關係，這一發現可能給糖尿病的診斷和治療增加一利器。Guillemin教授團隊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，科學家就已經發現糖尿病與腸道微生物失衡之間存在一定的聯繫(Brown， Davis-Richardson et al. 2011， Giongo， Gano et al. 2011， Kostic， Gevers et al. 2015)，後續的研究不斷證實這種相關性，但是沒有一個研究能說明這種相關性背後的原因。

就在學界一再證實糖尿病與腸道微生物之間存在關係，又找不到直接的證據的時候，Guillemin教授決定做一個大膽而艱難的嘗試。

自上個世紀六十年代以來，俄勒岡大學就是研究模式動物斑馬魚的頂級研究機構。Guillemin教授早在15年前就建立了培育無菌斑馬魚的技術和方法，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係。

▲斑馬魚

她們在開始研究之前做的第一件事就是，再次確認腸道微生物與糖尿病之間的確存在關係。課題的領導者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天之內胰島里的β細胞情況。Hill發現，與正常的斑馬魚相比，腸道無菌斑馬魚的β細胞佔據的面積明顯小很多。再測測腸道無菌斑馬魚的「血糖」，發現顯著高於腸道有菌斑馬魚。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細胞生長狀況（綠色）；GF：腸道無菌斑馬魚的β細胞生長狀況（綠色）。暗示腸道微生物在斑馬魚的β細胞生長過程中起到重要作用。

接下來要怎麼辦呢？其實很簡單，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去之後，斑馬魚的β細胞可以恢復到正常水平。記得上海交通大學的趙立平教授曾經講過，研究微生物與疾病之間的關係，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。所以說這是一個非常艱難的工作，但是為了解釋現象背後的原因，Hill也只能拼了。

最後，功夫不負有心人，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)細菌和一種希瓦氏菌屬(Shewanella)細菌，這四種細菌可以讓無菌斑馬魚的β細胞恢復到正常斑馬魚的水平。如此看來，腸道里的確有操縱β細胞生長的特殊微生物。

▲Jennifer Hampton Hill在做實驗

那它們是如何在腸道里遙控遠在胰腺的β細胞的呢？Hill又在體外培養那三種氣單胞菌屬細菌，用它們的培養液處理腸道無菌的斑馬魚，發現這些幼崽的β細胞一樣可以恢復到正常水平。如此看來，就是這些氣單胞菌在腸道里產生了特殊的物質，這些物質通過體液循環跑到胰腺了。那這種物質是蛋白質還是無生物活性的化學物質？

於是Hill又幹掉了細菌培養液中的所有蛋白質，這回發現腸道無菌斑馬魚的β細胞終於不能恢復到正常水平了。如此看來，是腸道微生物分泌的一種蛋白質在起作用。但是細菌往環境中釋放的蛋白質又是成百上千種，到底是哪種？好在微生物從體內往外分泌蛋白質的通道只有那麼幾個。於是，Hill又將一種氣單胞菌屬細菌A. veronii最主要的那個分泌蛋白質的大門給堵上了。這樣一來，就有很多蛋白質不能分泌到外界環境中了。

Hill再用這種氣單胞菌屬的細菌培養液處理腸道無菌的斑馬魚，發現斑馬魚的β細胞還是可以恢復到正常水平。這就表明，促進β細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範圍。剩下的真是沒有更好的辦法細分了。

於是Hill採用了化學和物理方法，最終將範圍縮小到了163種蛋白質，並確定了它們的蛋白序列。最終通過層層篩選，她最終找到了一個含261個氨基酸的蛋白質，這個蛋白質可以使腸道無菌斑馬魚的β細胞恢復到正常水平，她把這個蛋白質叫做BefA。當Hill把氣單胞菌細菌的BefA基因去掉之後，這種細菌就喪失了促進β細胞分裂的能力。這再次證明，BefA蛋白是A. veronii唯一可以促進β細胞擴大地盤的物質。後來，Hill證明，這種擴大地盤的現象實際上是β細胞變多了。這就意味著，BefA蛋白在達到胰島之後，是促進了β細胞的分裂。這對於糖尿病患者無疑是個好消息。

▲CV：正常斑馬魚的β細胞生長狀況（綠色）；GF：腸道無菌斑馬魚的β細胞生長狀況（綠色）；10165（BefA蛋白代號）：加入BefA蛋白之後，腸道無菌斑馬魚β細胞生長狀況似乎優於正常斑馬魚

但是這個實驗畢竟是在斑馬魚體內完成的，在人體會有類似的效果嗎？Guillemin教授團隊目前還沒有在人體內開展相關的研究，但是她們做了一個有指導意義的研究。她們在人腸道內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。於是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，驚喜地發現，斑馬魚的β細胞同樣可以恢復到正常水平。這暗示著，在人體內極有可能存在類似的現象。目前Guillemin教授團隊目正在開展深度研究。

「我們這個研究表明，動物的生長發育可能是依賴於腸道微生物釋放出的信號，」Hill說，「看到腸道微生物在葡糖糖穩定中起到如此重要的作用，實在是太興奮了。」

「腸道微生物是胰腺發育的信號來源，真真是一個很新鮮的觀點，」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，我們發現了可以調節β細胞生長的BefA蛋白。」

▲I型糖尿病新生兒的腸道微生物種類（紅色）較少

對於I型糖尿病患者而言，他們發病時間極早，那個時候的β細胞非常脆弱，容易受到攻擊，如果相應的微生物再缺失，會使小患者的病情雪上加霜。I型糖尿病的發病因素包括基因和環境，其中環境因素就包括腸道微生物。研究表明，人類的β細胞一般在5歲左右進入休眠期，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型糖尿病的風險。

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BefA分子作為潛在的治療方法。目前已經有很多公司在研發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.

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