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这个因子不讲武德,我劝肠道菌群「耗子尾汁」,北大王应等Nature子刊发现肠道菌群平衡重要调控基因​

发布者:李梦雨发布时间:2020-11-23浏览次数:10

坊间流传肠道菌群解释一切!机制不明,肠道菌群!

 

近年来,肠道微生物的研究也确实发现其在人类健康中有着举足轻重的地位。


据报道肠道微生物掌管着人体 70% 的免疫力,排除 80% 的毒素,消化吸收 95% 的营养物质,甚至也存在「脑 - 肠轴」的说法,与神经系统相互作用。


可以说,肠道微生物群就是人体整个代谢系统的连接者

 

肠道微生物已被证实与包括肿瘤、消化系统疾病、免疫系统疾病、代谢性疾病、精神类疾病在内的 50 多种疾病直接或间接相关。


因此,结肠稳态、微生物群平衡对于人体健康具有重要的意义。


2020 年 11 月 20 日,北京大学基础医学学院免疫学系王应教授联合弗雷德里克市国家癌症研究所 Ji Ming Wang 团队 Nature Communications 在线发表了题为nature communications.pdf的研究性文章,该研究通过使用 Fam3D 基因缺失的小鼠,证明 Fam3D 在结肠稳态、抗炎症相关癌变和微生物群平衡等过程中发挥着关键作用


图片来源:Nature Communications


背景介绍


炎症性肠病是一种病因尚未明确的慢性、非特异性肠道炎症性疾病,表现为根治困难、反复发作,且伴有多种并发症,主要包括溃疡性结肠炎和克罗恩病。


据中山大学附属第一医院消化内科主任医师陈旻湖教授介绍,炎症性肠病的患病率在中国急剧攀,预计 2025 年将达到 150 万,且发病人群偏年轻化。


肠道炎症是结肠癌的一个高风险因子,同时,罹患癌症的风险会随疾病的持续时间和程度而显著增加,肠道炎症与家族性腺瘤性息肉病和遗传性非息肉性结直肠癌综合征一起,是结直肠癌的三大高危疾病之一。


图片来源:Cell

 

机制层面,这可能是因为炎症扰乱了肠道生态系统,使病原体能够入侵肠道,引起免疫反应过度激活,进而损害宿主细胞,此外,这种破坏的微环境还允许结肠上皮细胞进行性转化为癌细胞,从而增加了患结肠癌的风险。


尽管越来越多的证据表明结肠黏膜屏障功能受损是溃疡性结肠炎发病的关键因素,但其真正的病因尚不清楚。


同时,目前的结果表明炎症性肠病患者的肠道微生物多样性是减少的,另外其微生物群功能也与健康人群明显不同。


如何维持肠稳态,改善肠道微生物群的平衡,降低炎症造成其他疾病(如癌症)的风险呢?这离不开对其关键调控因子的探寻。

 

FAM3 (Family with sequence similarity 3) 最初被鉴定为类细胞因子家族成员,由 4 个基因产物组成:FAM3A, FAM3B, FAM3C, and FAM3D。其中,FAM3D 是一种肠道分泌蛋白在胃肠道中大量表达,并且受营养状态调节。但是 FAM3D 发挥的作用仍不清楚,其在结肠的稳态和病理条件中的功能仍然未知。



研究内容:


FAM3D 在小鼠胃肠道高表达且参与抗炎过程

 

首先,研究人员分析了 Fam3D 在小鼠各器官组织中的表达,发现 Fam3D 在胃肠道,特别是结肠中表达丰富,在肠系膜淋巴结、肺、胸腺和脾脏中表达适中,但在其他组织中无表达,蛋白水平检测得到了同样的结论。

 

图片来源:Nature Communications

 

接下来,为了检测小鼠胃肠道内源性高表达水平的 Fam3D 是否积极参与了结肠的病理生理过程,他们构建了 Fam3D−/−小鼠。结果发现,与野生型小鼠相比,Fam3D−/−小鼠的结肠表现出隐窝增生,且隐窝长度显著延长


另外,Fam3D−/−小鼠结肠上皮中存在 CD3T 和 B220+ B 细胞浸润现象,提示其存在低水平炎症过程。小鼠的病理切片也表明,Fam3D−/−小鼠的隐窝增生加重,伴有中性粒细胞浸润和腺体浸润,以及分化的上皮细胞的丢失。这些结果表明,Fam3D−/−小鼠自发性结肠炎患病可能性和全身炎症增加

 

图片来源:Nature Communications

 

 

Fam3D−/−小鼠结肠上皮内稳态受损

 

研究人员通过全转录组测序技术对结肠上皮细胞的变化进行了分析,结果发现,在 Fam3D−/−小鼠中有 52 个基因显著降低,24 个基因显著增加。其中,抗菌肽相关基因 (Reg3b、Reg3g 和 Saa3) 明显降低。由于肠道中 Reg3 成员的激活和干扰素的产生是对细菌定植的重要先天反应,因此这些分子表达的降低表明 Fam3D−/−小鼠结肠稳态的受损。同时,分析结肠上皮细胞的类型时发现,Fam3D−/−小鼠结肠粘膜完整性亦有缺陷。

 

图片来源:Nature Communications

 


在应激状态下,Fam3D 的缺失会发生怎样的变化呢?


研究发现,在 DSS 诱导的结肠炎模型中,Fam3D−/−小鼠的炎症严重程度显著增加,包括更快速的体重减轻、直肠出血和腹泻增加。


所有 Fam3D−/−小鼠在 DSS 摄入后第 9 天死亡,而 WT 小鼠在第 12 天死亡。组织形态上的结果表明,DSS 处理的 Fam3D−/−小鼠结肠的长度缩短更快、更明显,肠上皮损伤明显。


Fam3D−/−小鼠在 DSS 诱导的结肠炎模型中更加敏感,严重程度增加,这也表明了 Fam3D 在保护结肠免受炎症损伤方面具有重要作用。

 

图片来源:Nature Communications

 

在随后的 AOM 诱导的肿瘤发生模型中发现,与 WT 小鼠相比,Fam3D−/−小鼠结肠中较大肿瘤数量显著增加,并伴有明显的白细胞浸润、广泛的增生和肿瘤灶的发展。


此外,Fam3D−/−小鼠远端结肠中有更多的浸润性腺体,并伴有广泛的纤维组织增生,具有侵袭性特征。因此,Fam3D 缺乏增加了 DSS 诱导的慢性结肠炎和 AOM/ DSS 诱导的 Fam3D−/−小鼠的致癌作用

 

图片来源:Nature Communications

 


Fam3D−/−小鼠的肠道微生态分析

 

为了确定肠道微生物在 Fam3D−/−小鼠结肠炎表型中的作用,小鼠首先被给予抗生素。在接下来的检测中发现,WT 和 Fam3D−/−小鼠结肠隐窝长度的差异以及结肠炎严重程度被显著降低,这些结果表明,肠道生态失调有助于 Fam3D−/−小鼠的功能障碍和增加对结肠炎的敏感性

 

然而,与 WT 小鼠相比,DSS 后第 5 天,经抗生素处理后的 Fam3D−/−小鼠继续表现出持续的轻度结肠炎,并伴有粘膜损伤和较低程度的白细胞浸润。抗生素处理也不能完全恢复上皮细胞酸性粘蛋白的表达,提示肠道菌群可能不能完全解释 Fam3D−/−小鼠的结肠炎表型。因此,Fam3D−/−小鼠结肠炎严重程度的增加似乎部分是由微生物驱动的,而肠道上皮细胞功能障碍则是一个重要的促进因素

 

图片来源:Nature Communications

 

最后,研究人员探究了 FAM3D 对人类结肠癌进展的潜在临床相关性。数据分析结果显示,FAM3D mRNA 和蛋白在正常人结肠组织中的表达高于结肠癌患者组。此外,在恶性程度较高的结肠癌患者中,FAM3D 蛋白的表达水平也最低。这些结果与上述在小鼠研究中观察到的结果一致。因此,FAM3D 在人和小鼠中都是一种潜在的抗癌分子

 


图片来源:Nature Communications

 


研究总结

  

图片来源:Nature Communications

 

综上所述,该研究通过动物模型证实了 Fam3D 在健康和炎症结肠中的作用,结果表明其在支持小鼠结肠正常结构的发展中发挥了重要作用,而该分子的缺失则会引起结肠隐窝发育异常,自发低水平炎症增加,粘膜表面保护粘蛋白层变薄,关键抗微生物分子减少等,最终导致肠道微生态失调,加重结肠炎,并使得癌症发病率显著增加。


人体 FAM3D 同样高表达在正常结肠组织中,并且在结肠癌患者中其水平显著降低,而且随着疾病的严重程度呈现递减趋势,因此将来可作为诊断结肠癌的指标之一,具有潜在的临床应用价值


文章来源:丁香学术