跨物種新交流語言 腸道菌分泌一氧化氮調控宿主發育

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腸道菌會分泌的不同代謝產物,不僅能幫助消化宿主胃裡的食物,也會影響人體的基因表現,進而影響宿主的健康。例如,腸道微生物中的梭狀芽孢桿菌(clostridium sporogenes)會分泌吲哚丙酸(indolepropionic acid, IPA),改變腸道生物學特性,進而調控人體免疫系統。

近日,由凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)醫學院、克利夫蘭醫學中心(Cleveland Medical Center)、哈佛醫學院組成的研究團隊發現一種跨物種交流的新化學語言,即細菌會分泌一氧化氮*,並且使它們能夠與宿主的 DNA 進行交流並且控制它們,該研究刊登於《Cell》。

*一氧化氮(NO)會透過蛋白質 S-亞硝基化(S-nitrosylation)與半胱胺酸胺基酸上的硫原子結合形成 S-亞硝基硫醇(S-nitrosothiols, SNOs),該過程是一種在細胞中穩定蛋白質、調控基因表現的轉譯後修飾機制。然而,亞硝基化功能失調與阿茲海默症、巴金森症、氣喘、糖尿病、心臟病和癌症等疾病產生有極大的相關性。

該研究團隊以秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans,簡稱線蟲)為研究模式。他們發現腸道菌分泌的一氧化氮附著在成千上萬的宿主蛋白上,完全改變線蟲調節其自身基因表現的能力。他們也讓發育中的線蟲攝取一氧化氮生產細菌,然後透過 microRNAs,使其基因沈默蛋白 Argonaute(線蟲為 ALG-1 和哺乳動物為 AGO2,二者之間存在高度保守)S-亞硝基化,進而改變其基因控制能力,包含參與發育的重要基因。當一氧化氮被腸道菌分泌並附著在 ALG-1上時,線蟲生殖器官產生發育畸形並且死亡,過多的一氧化氮控制線蟲的基因沉默蛋白,損害健康發育。

該研究作者 Jonathan Stamler 博士表示:「事實上,動物不會讓該情況發生,實驗室環境之外的哺乳動物宿主能不斷適應變化的一氧化氮。線蟲也會採取停止食用製造一氧化氮的細菌,或食用更多的其他幾乎不產一氧化氮的細菌,或者換個居住環境等等。同理可證,人類的微生物群產生過多的一氧化氮也可能導致胎兒疾病或發育問題。」

該研究再次證實,由飲食和環境決定的腸道菌對哺乳動物的健康產生巨大影響,而一氧化氮可望成為該共生關係的新調控者。Stamler 博士指出,就像益生菌被設計用於改善消化一樣,未來能想像用人體腸道接種細菌以改善一氧化氮訊息傳遞,也代表未來有很多機會操縱一氧化氮來改善人類健康。它可望成為作為一種藥物或治療方法。

總結以上,雖然一氧化氮和 S-亞硝基化可能是影響腸道菌和人類之間的一般種間交流模式,但一氧化氮應該不是唯一的化學通訊方式。但未來仍需更多研究和臨床試驗來佐證。

延伸閱讀:人體腸道內的基因版 POKEMON GO

參考資料:
1. Nature (2017). nature.com/articles/doi:10.1038/nature24661
2. Cell. DOI: 10.1016/j.cell.2019.01.037
3. https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-02/cwru-nc022119.php

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