本文主要是介绍ISME | 朱作斌/王亮等发现肠道微生物的遗传变异参与宿主的寿命、睡眠和运动等功能的调控...,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
肠道微生物遗传变异调控宿主寿命、睡眠及运动能力
Gut microbial genetic variation modulates host lifespan, sleep, and motor performance
Received: 3 January 2023, Revised: 9 July 2023, Accepted: 11 July 2023, Published online: 07 August 2023.
Article,2023-08-07
The ISME Journal, [IF 11]
DOI:https://doi.org/10.1038/s41396-023-01478-X
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41396-023-01478-x
第一作者:Ying Li (李颖);Simin Xu(徐思敏);Liying Wang(王李颖);Hao Shi(时昊)
通讯作者:Zuobin Zhu (朱作斌);Liang Wang(王亮)
合作作者:Han Wang(王涵);Ziyi Fang(房子溢);Yufan Hu(胡玙璠);Jiayu Jin(金佳虞);Yujie Du(杜雨洁);Mengqiong Deng;(邓梦琼)
主要单位:
徐州医科大学 (Xuzhou Engineering Research Center of Medical Genetics and Transformation, Key Laboratory of Genetic Foundation and Clinical Application, Department of Genetics, Xuzhou Medical University, Xuzhou, China)
南方医科大学附属广东省人民医院(广东省医学科学院),(Guangdong Provincial People’s Hospital (Guangdong Academy of Medical Sciences), Southern Medical University, Guangzhou, Guangdong 510080, China)
新加坡国立大学(Department of Biological Sciences, Faculty of Science, National University of Singapore, Singapore 117543, Singapore)
- 摘 要 -
近期研究表明肠道微生物可以调节宿主的寿命和活动,包括睡眠质量和运动表现。但是,肠道微生物遗传变异在调节宿主表型方面的作用尚不清楚。本研究中,我们使用酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae和黑腹果蝇Drosophila melanogaster作为模型,系统研究了肠道微生物遗传变异与宿主表型之间的关系。结果表明:酵母中与过氧化物酶相关的基因通过调节肠道氧化应激在宿主寿命和活动中具有新的重要作用。具体而言,我们发现酵母中过氧化氢酶A(CTA1)的缺乏显著降低了果蝇的睡眠持续时间和寿命。此外,我们的研究还扩展了对睡眠和长寿之间关系的理解。通过使用大样本量并排除个体遗传背景差异,我们发现寿命与睡眠持续时间弱相关,但与睡眠片段化或运动表现无关。总体而言,我们的研究为肠道微生物遗传变异在调节宿主表型方面提供了新的见解,并为改善健康和延长寿命提供了潜在的新途径。
- 引 言 -
在共同进化的过程中,适者生存的原则使得肠道菌群和宿主能够相互适应。最近的研究确认了宿主的遗传因素可以影响肠道微生物的组成,而肠道细菌的遗传变异可以影响宿主的生存能力并推动宿主的进化。例如,在大肠杆菌中发现的遗传突变显著影响线虫的发育和寿命。此外,已经证明肠道微生物可以调节宿主的活动,包括睡眠和运动表现。肠道微生物紊乱与睡眠质量差和伴发睡眠问题的严重疾病相关。益生菌和益生元的治疗可以改善睡眠质量并缓解相关症状。此外,肠道微生物可以调节婴儿的运动技能和帕金森病小鼠模型的运动表现。因此,肠道微生物可能是开发延长寿命和改善健康治疗方法的有希望的靶点。尽管已经开发了多种改善肠道微生物的治疗方法,但其疗效仍然远未令人满意。益生菌和益生元已被用于治疗各种疾病,包括肠道感染、呼吸道感染、心血管疾病和骨质疏松症。然而,由于对益生菌菌株的不充分表征和肠道微生物与人体健康之间关系的机制不清楚,难以确定其治疗效益。此外,商业益生菌产品面临与安全性关切、效率不足和配方不一致有关的挑战。粪便微生物移植(FMT)也面临与标准化和效果量化有关的困难。最近的研究发现,大肠杆菌的基因突变可以显著影响其宿主秀丽隐杆线虫的发育和寿命。与益生菌和FMT相比,通过操纵整个肠道微生物群落中的特定基因可能是一种更有效、更精确地功能调节肠道菌群的方法。
不同肠道微生物的核心物种或菌株和常见基因在个体之间是共享的,但与广泛研究的益生菌物种和菌株相比,研究这些共同基因及其与人类健康的关系相对较新。整合人类微生物组计划(iHMP)已建立起通过使用宏基因组、宏转录组和宏蛋白组等先进技术在疾病特定队列的纵向研究中提供微生物组和人类功能特性的整合数据集。随着对肠道微生物遗传编辑的进展,使用多种强大的方法在整个肠道微生物群落或特定肠道微生物物种中操作特定基因已经可行。尽管已经发现肠道微生物的遗传组成可以通过作用于宿主线粒体来调节宿主的寿命,但在肠道微生物遗传变异在宿主活动和疾病中的作用方面仍缺乏实验研究。了解肠道微生物遗传变异对宿主寿命和活动的影响,可以帮助我们开发针对肠道微生物的新型干预措施,促进健康和寿命。然而,还有很多需要学习的地方,需要进行系统分析来确定肠道微生物的遗传变异是否影响模型生物中宿主的寿命和活动。因为其相对简单的肠道微生物群落,果蝇成为研究肠道微生物群与宿主寿命和活动(如运动能力和睡眠)之间关联性的广泛使用的动物模型。
在这项研究中我们利用无菌果蝇作为模式生物,并用来自酵母基因敲除菌株库(YKOC)的个体纯合二倍体缺失突变菌株喂养它们(Fig. 1A)。这使我们能够系统地研究肠道微生物遗传变异对寄主寿命、睡眠和运动表现的影响。酿酒酵母是果蝇肠道中的共生微生物,这突显了研究其遗传变异对寄主的影响的相关性。此外,通过分析成千上万对睡眠和寿命表型之间的关系,这项研究提供了一个新的视角,揭示了大规模群体中睡眠、运动表现和寿命之间的相互作用,有助于减轻个体基因背景差异的混杂效应。
- 结 果 -
① 酿酒酵母可通过过氧化物酶体的遗传变异等相关机制调节果蝇的寿命、睡眠和运动性能
目前已经发现酿酒酵母稳定地寄生于果蝇的肠道。通过真菌内部转录间隔区(ITS)核糖体RNA(rRNA)测序技术,在果蝇的肠道微生物中检测到了酿酒酵母(图S1A,S1B)。为了系统地调查肠道微生物的遗传变异是否调节宿主的睡眠、运动表现和寿命,我们分别使用酿酒酵母和果蝇作为肠道微生物和宿主的简化模型生物。我们将无菌的果蝇喂养了来自酿酒酵母基因敲除集合(YKOC)中的1000多个个体纯合二倍体的单基因敲除菌株,以量化宿主的睡眠质量、运动表现和寿命(图1A)。通过使用该集合的母株(野生型菌株BY4743)作为实验对照,约17%的酿酒酵母突变体显著改变了果蝇的寿命,变化幅度超过了10%(表S1)。GO富集分析显示:这些显著基因在脂肪酸和酰基甘油的分解过程、氨基酸的代谢和生物合成过程以及核苷酸单磷酸和维生素B6的生物合成过程中富集,表明酿酒酵母可能通过影响营养摄入来调节果蝇的寿命(表S2)。此外,GO和KEGG富集分析表明:这些基因还富集在与过氧化物酶体相关的途径和寿命调节途径中(图1C,表S2)。由于果蝇像人类一样在夜间睡眠,我们测量和分析了夜间的睡眠时长和睡眠碎片化。结果发现:相对于野生型BY4743菌株,约有3.6%的酿酒酵母突变菌株使果蝇的睡眠时长发生了超过10%的变化(图1B,表S1),表明肠道微生物的遗传变异可以调节宿主的睡眠。此外,酿酒酵母基因突变引起的宿主睡眠时长和夜间睡眠碎片化之间存在显著的中度负相关(图2A)。KEGG和GO分析显示:影响宿主睡眠时长的酵母基因在寿命调节途径、过氧化物酶体相关途径和过氧化氢分解过程富集(图1C,表S3)。为了研究肠道微生物的遗传变异是否调节宿主的运动表现,我们使用攀爬实验来测量果蝇在喂食酿酒酵母突变体后的运动表现。攀爬实验的结果表明:相对于野生型BY4743菌株,约有4.1%的酿酒酵母突变株(144个株系)使果蝇的攀爬指数显著变化超过10%(见图1B、表S1)。KEGG分析和GO分析表明:影响宿主运动性能的酵母基因在过氧化物酶体相关途径中富集(见图1C、表S4)。通过系统分析酵母基因变异对果蝇的寿命、睡眠时长和运动性能的影响,该研究证明肠道微生物的遗传变异可以调节宿主的寿命、睡眠和运动性能(见图1C)。此外,肠道微生物的过氧化物酶体可能在调节宿主的活动和寿命方面发挥重要作用(见图1C)。
图1 基因组尺度筛选以确定影响果蝇寿命、睡眠和运动表现的酿酒酵母单基因敲除突变体。(A) 研究策略示意图。(B) 酿酒酵母遗传背景影响果蝇的寿命、睡眠时长和爬行指数。纵坐标值表示与野生型酿酒酵母喂养的果蝇相比,单基因敲除酿酒酵母喂养的果蝇寿命、睡眠时长和爬行指数的变化。(C)显著调节果蝇寿命、睡眠时长和爬行指数(运动表现)的酿酒酵母基因的代表性GO和KEGG富集。
② 寿命可能与睡眠持续时间相关,
但与睡眠碎片化或运动功能无关
这项大样本研究调查了宿主的寿命、睡眠和运动性能受肠道微生物的遗传差异影响的可能性。通过相关性分析,我们可以更好地理解寿命、睡眠和运动性能之间的关系。我们的结果显示:睡眠持续时间和寿命之间存在极弱的正相关关系(图2B),并且睡眠持续时间的轻微变化(-10%至10%)与寿命的变化无关(图2B)。此外,睡眠持续时间严重减少(睡眠持续时间减少超过10%)的果蝇与睡眠持续时间轻微变化的果蝇相比,寿命显著缩短(图2C)。对于另一个衡量睡眠质量的标准,即睡眠碎片化,我们的结果显示:睡眠碎片化与寿命无关(图S1C)。此外,我们发现运动性能可能与寿命或睡眠碎片化无关(图S1D、S1F);但是,运动性能和睡眠持续时间之间存在极弱的负相关关系(图S1E)。在酿酒酵母中缺乏过氧化氢酶A(CTA1)会缩短果蝇的睡眠持续时间和寿命。
图2. 果蝇睡眠时长与寿命的关系。(A) 果蝇睡眠碎片化与睡眠时长的关系。(B) 果蝇睡眠时长与寿命的关系。黑色趋势线对应于所有果蝇群体的寿命和睡眠之间的相关性。红点是睡眠时长变化在-10%到10%之间的果蝇群体。红色趋势线对应于这些红点中寿命和睡眠时长之间的相关性。(C) 果蝇寿命和睡眠时长的统计分析。符号*和**分别表示t检验下P值小于0.05和0.01。
由于寿命与睡眠持续时间相关,而酵母的过氧化物酶体相关途径可能在调节两者方面发挥核心作用,我们分析了促进寿命调控途径和过氧化物酶体相关途径富集的酵母基因(图3A、表S2-4)。在这些基因中,酵母中过氧化氢酶A(CTA1)的空缺突变株在29°C下显著缩短了果蝇的睡眠持续时间和寿命(图3B)。生存曲线还显示,喂食CTA1基因敲除(CTA1-KO)酵母的果蝇出现了明显的早期死亡,这表明果蝇寿命缩短和睡眠持续时间减少可能存在联系(图3B)。由于CTA1编码过氧化氢酶A,它是过氧化物酶体中的一种强抗氧化酶,可分解有毒的活性氧(ROS),我们研究了酵母中CTA1缺陷是否增加果蝇肠道内ROS水平。通过比较喂食WT酵母和YDR256C(CTA1-KO酵母)后果蝇肠道中的DHE染色。结果显示:在喂食CTA1-KO酿酒酵母株的果蝇肠道中出现ROS的积累(图3C),表明CTA1-KO酵母可能通过增加肠道ROS水平缩短果蝇的睡眠持续时间和寿命。
图3.酿酒酵母中过氧化氢酶A(Catalase A,CTA1)缺乏可通过增加肠道ROS水平导致宿主果蝇睡眠时间和寿命的减少。(A)CTA1通过调节长寿途径和过氧化物酶体相关的GO类别来促进长寿,这些类别由显著调节果蝇睡眠时间和寿命的酵母基因富集而来。(B)酿酒酵母CTA1突变体在29°C下显著减少果蝇的寿命和睡眠时间。符号*和***表示t检验下的P值小于0.05或0.0001。寿命,N≥60;睡眠时间,N≥8。(C)果蝇肠道经喂食野生型(WT)或CTA1-KO酿酒酵母20天后的ROS荧光染色代表性图像和定量结果。符号***表示t检验下的P值小于0.001(N = 3)。
③ 抗氧化剂能够阻止CTA1-KO酿酒酵母喂食
引起的果蝇寿命缩短和睡眠持续时间缩短
由于先前的实验是在29°C进行的,而这不是最适合培养果蝇的温度,所以我们在25°C重复了喂食WT和CTA1-KO酵母的果蝇的寿命和睡眠持续时间测量。结果表明,与WT酵母相比,CTA1-KO酵母显著缩短了果蝇的睡眠持续时间,并导致果蝇早期死亡(图4B、4C)。然而,在25°C喂食CTA1-KO酵母的果蝇中,平均寿命的缩短并不显著,尽管趋势是一致的(图4B、4C)。为了调查抗氧化剂摄入是否能够减少果蝇肠道内ROS水平,并挽救CTA1-KO酵母喂食引起的果蝇寿命和睡眠持续时间缩短,我们用褪黑激素和硫辛酸对果蝇进行处理以清除ROS的过度积累(图4A)。结果表明,硫辛酸显著延长了CTA1-KO酵母喂食果蝇的寿命,并增加了其睡眠持续时间,而褪黑激素则没有(图4B、4C、表S5)。
图4.抗氧化剂可以挽救由CTA1-KO酿酒酵母喂饲引起的果蝇寿命和睡眠时间的缩短。(A)果蝇肠道经喂食野生型(WT)或CTA1-KO酵母菌20天后的ROS荧光染色的代表性图像和定量结果,同时给予或不给予抗氧化剂补充,温度为29°C。符号**和***分别表示t检验下的P值小于0.01和0.001(N = 4)。(B)果蝇经喂食野生型(WT)或CTA1-KO酿酒酵母并同时给予或不给予抗氧化剂补充情况下寿命的定量和生存曲线。温度为25°C。符号**表示t检验下的P值小于0.01(N≥60)。(C)果蝇经喂食野生型(WT)或CTA1-KO酿酒酵母,同时给予或不给予抗氧化剂补充20天后的睡眠时间的定量。符号***表示t检验下的P值小于0.001(N≥6)。
- 讨 论 -
基于大样本研究明确肠道微生物遗传组成与宿主寿命和活动之间关系
通过排除宿主个体遗传变异,该研究旨在通过大样本策略增进对肠道微生物遗传组成与宿主寿命和活动之间关系的理解。据我们所知,这是第一项旨在确定肠道微生物遗传组成是否能调节宿主寿命和活动(包括睡眠和运动表现)的研究。之前的研究已经表明,肠道菌群调节宿主寿命并改变与年龄相关的宿主生理活动,如睡眠和运动表现等。某些肠道菌群模式也被发现可以延长或缩短寿命,而特定的肠道微生物分类群已被证明可以改善健康老年人的睡眠质量和认知灵活性。此外,研究发现老年人的特定肠道微生物分类群与体力活动存在关联。然而,之前的研究主要关注肠道菌群的种属或菌株变异对宿主寿命或活动的影响,而肠道微生物遗传变异对宿主寿命和活动的影响缺少研究。肠道细菌的遗传变异可以影响寄主的生存能力并推动寄主的进化,正如在大肠杆菌中观察到的那样,基因突变显著影响宿主的发育和寿命。因此,本研究旨在从肠道微生物遗传变异对宿主寿命和活动影响的角度进行系统分析,这可能会促进针对肠道微生物的新型干预措施的发展,以促进健康和延长寿命。该研究确定了肠道微生物的多个基因可以显著调节宿主的寿命、睡眠和运动表现。通过对这些基因进行富集分析,发现多个肠道微生物的KEGG通路和GO Term在肠道微生物与宿主相互作用中发挥作用。其中,与过氧化物酶体相关的肠道微生物通路在三种宿主表型中持续富集,突出了过氧化物酶体在肠道微生物与宿主相互作用中的关键作用。过氧化物酶体在真核生物中广泛保守,但在原核生物中很少见,该研究首次提出了酿酒酵母过氧化物酶体在肠道微生物与宿主相互作用中的关键作用。过氧化物酶体维持细胞的氧化还原平衡,在脂肪酸代谢和胆酸的生物合成中起着核心作用。既往研究发现,氧化还原平衡在肠道微生物群落与宿主生理的共生中发挥调节作用,特别是在维持肠道健康方面至关重要。此外,短链脂肪酸和胆酸是两种关键的肠道微生物衍生代谢物,在肠道微生物与宿主关系中起着重要作用,并在传染性、代谢性、肿瘤性和神经退行性疾病的治疗中具有潜在应用价值。因此,该研究为进一步研究肠道微生物过氧化物酶体与宿主生理相互作用提供了有价值的系统筛选,这可能有助于发展肠道微生物组衍生治疗多种疾病的方法。
基于大样本研究了解寿命、睡眠和运动表现之间的相关性
虽然人类流行病学研究表明睡眠时间减少与寿命缩短有关,但这些研究通常受到难以控制的环境因素和个体遗传因素的限制,同时自我报告的睡眠持续时间也有一定的不可靠性。另一方面,动物实验可以帮助我们了解寿命和睡眠之间的关系,但许多研究样本规模较小且主要关注严重的睡眠障碍。通过分别食用约1000个基因突变的酿酒酵母的果蝇寿命、睡眠质量和运动表现进行相关分析,这项大样本研究探索了寿命、睡眠和运动表现之间的关系。研究发现:睡眠时长与寿命之间存在微弱的正相关,与先前的人类流行病学研究结果一致。此外,尽管轻度的睡眠变化对寿命影响不大,但严重的睡眠剥夺被发现会显著缩短寿命,支持严重睡眠剥夺可加速衰老的观点。先前的研究还提出了睡眠碎片化与寿命之间存在双向关联,但本研究表明这种关联可能不是双向的。具体而言,尽管多项研究表明睡眠碎片化是增加动物衰老的特征之一,但睡眠碎片化的增加可能并不会加速衰老。总体而言,这项研究为寿命、睡眠和运动表现之间复杂关系提供了重要见解,强调了大样本研究在推进我们对这些关键问题的理解方面的价值。此前在关于寿命和运动表现之间关系的研究中,针对Drosophila Genetic Reference Panel(DGRP)的161个个体品系,无论是在随意进食还是限制饮食的方案中,都没有发现中位寿命与攀爬能力下降之间的相关性。我们的研究结果与这项研究一致,因为我们也观察到果蝇的运动表现与寿命之间没有相关性。尽管减少的体力活动与衰老密切相关,但我们的结果表明寿命可能与运动功能无关。
肠道微生物组中的遗传变异可能是抗氧化治疗效果异质性的原因
我们的研究结果显示,果蝇肠道中酿酒酵母CTA1基因的缺陷通过增加活性氧的积累,降低了果蝇的寿命和睡眠时长。此外,通过使用强效ROS清除剂硫辛酸盐治疗可以挽救这种效应。CTA1是一种存在于过氧化物酶体中的强抗氧化酶,可以分解有毒的ROS。先前的研究表明,在果蝇中严重的睡眠剥夺导致肠道中ROS的积累和寿命缩短。我们的研究表明,在肠道中清除ROS可以延长寿命和改善睡眠的抗氧化物摄入的益处。然而,对80项人体试验的综述得出结论,抗氧化剂补充剂在胃肠疾病中存在非常异质的效果。此外,肠道微生物组与抗氧化剂之间的相互作用会影响抗氧化剂的生物利用度和肠道微生物组的多样性,从而对宿主产生促进健康的益处。我们的研究发现,硫辛酸盐显著延长了以CTA1-KO酵母为食的果蝇的寿命并增加了睡眠时长,而在以WT酵母为食的果蝇中未观察到这种效应。这表明抗氧化治疗的效果可能受肠道微生物组的遗传变异影响。
参考文献
Li, Y., Xu, S., Wang, L. et al. Gut microbial genetic variation modulates host lifespan, sleep, and motor performance. ISME J (2023). https://doi.org/10.1038/s41396-023-01478-x
- 第一作者简介 -
徐州医科大学
李 颖
副教授,硕士生导师
第一作者:李颖,徐州医科大学,副教授,硕士生导师。主要从事肠道微生物与宿主互作及真菌耐药机制研究。目前以第一作者和通讯作者发表了SCI论文10余篇。
新加坡国立大学
徐思敏
博士研究生
第一作者:徐思敏,新加坡国立大学博士研究生。主要关注微生物与固有免疫及呼吸系统疾病的研究。目前在Cell host & microbe、 PNAS、ISME、Journal of Virology等期刊发表论文4篇。
徐州医科大学
王李颖
硕士研究生
第一作者:王李颖,徐州医科大学硕士研究生。主要关注肠道微生物与宿主互作及衰老的遗传机制研究。目前在ISME、Frontiers in microbiology期刊发表论文2篇。
徐州医科大学
时昊
硕士研究生
第一作者:时昊,徐州医科大学硕士研究生。主要关注肠道微生物与宿主互作及衰老的遗传机制研究。目前在ISME、Frontiers in microbiology期刊发表论文2篇。
- 通讯作者简介 -
徐州医科大学
朱作斌
博士,硕士生导师
通讯作者:朱作斌,博士,硕士生导师,生殖遗传课题组PI,徐州医科大学生命科学学院遗传学创新平台负责人,徐州市遗传与转化工程中心副主任,徐州医科大学遗传基础与临床应用重点实验室副主任、以色列科学基金会评审专家,系统生物学、医学遗传学课程负责人,徐州医科大学优秀教学团队负责人,全国大学生生命科学创新创业优秀指导老师,江苏省青蓝工程人才计划。任中国人体健康科技促进会临床微生物与感染精准检验专业委员会委员、江苏省免疫学会免疫遗传学组委员、江苏省遗传学会微生物遗传专业委员会委员、江苏省妇幼保健协会男性生殖分会委员。近五年主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、徐州市重点研发计划等7项,第一或通讯作者在ISME、Carbohyd Polym、Clin. Transl. Med 等国际期刊发表SCI论文30余篇,授权国家发明专利7项,申请美国和欧盟国际专利2项,授权软件著作权6项,核心科技成果实现应用转化。主编教材1部,专著1部,参编教材一部。
南方医科大学附属广东省人民医院
王亮
首席研究员,博士生导师
通讯作者:王亮,南方医科大学附属广东省人民医院高层次引进人才,检验科首席研究员,课题组PI,兼任昆士兰大学和西澳大学研究员/博士生导师,以及伊迪斯·科文大学客座教授。本科毕业于中南大学湘雅医学院,博士毕业于西澳大学病理与医学检验学院,加拿大康考迪亚大学及澳大利亚科廷大学博士后。入选江苏省双创计划,江苏省青蓝工程,江苏省第十三批科技镇长团。Frontiers in Microbiology副主编,BMC Bioinformatics、PeerJ等7本SCI期刊编委,iMeta等5本英文期刊编委和青年编委。主要从事计算和实验联合的生物医学研究,主持国家级课题3项,省级课题2项,参与科技部重大项目4项,发表英文论文100余篇,其中通讯/一作SCI论文60篇(8篇 IF>10),主编《系统生物学》及《精油的科学》等中英文教材专著6部。
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