Honeybee gut microbiota promotes host weight gain via bacterial metabolism and hormonal signaling

蜜蜂腸道微生物群通過(guò)細(xì)菌代謝和激素信號(hào)促進(jìn)宿主體重增加

來(lái)源：PNAS Early Edition March 24, 2017

 

一、論文摘要

本研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腸道微生物群通過(guò)其代謝活動(dòng)顯著促進(jìn)了宿主體重的增加。研究者通過(guò)比較擁有正常腸道菌群（CV）和無(wú)菌（GF）的蜜蜂發(fā)現(xiàn)，CV蜜蜂的整體體重和腸道重量增長(zhǎng)更為顯著。這種促進(jìn)作用是通過(guò)細(xì)菌代謝和宿主激素信號(hào)通路介導(dǎo)的：腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸（SCFAs）降低了腸道內(nèi)的pH值和氧化還原電位，并進(jìn)而影響了宿主的卵黃蛋白原（Vg）和胰島素/胰島素樣信號(hào)（IIS）通路的表達(dá)，最終增強(qiáng)了宿主對(duì)蔗糖的敏感性（即“饑餓感”），促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)吸收和體重增長(zhǎng)。研究還利用微電極等技術(shù)揭示了微生物在腸道內(nèi)創(chuàng)造的獨(dú)特物理化學(xué)環(huán)境（如氧氣梯度）。這些發(fā)現(xiàn)表明，蜜蜂的腸道微生物在促進(jìn)宿主生長(zhǎng)方面發(fā)揮著與人類(lèi)等動(dòng)物類(lèi)似的基本作用，使其成為研究宿主-微生物相互作用的理想模型。

二、研究目的

本研究旨在深入探究一個(gè)尚未被充分闡釋的問(wèn)題：蜜蜂的專(zhuān)性腸道微生物群究竟如何影響宿主的生理機(jī)能。盡管已知蜜蜂擁有一個(gè)簡(jiǎn)單而特化的腸道菌群，并且其對(duì)于抵抗病原體等方面有重要作用，但微生物群對(duì)宿主生理（如生長(zhǎng)、代謝、激素調(diào)控）的具體貢獻(xiàn)尚不明確。本研究的具體目的包括：

 

量化腸道微生物對(duì)蜜蜂宿主體重增長(zhǎng)的影響。

揭示其潛在作用機(jī)制，包括對(duì)宿主激素信號(hào)通路（如胰島素信號(hào)）和行為（如味覺(jué)敏感性）的調(diào)控。

描繪腸道微生物如何塑造腸道內(nèi)部的物理化學(xué)微環(huán)境（如氧氣、pH值）。

 

分析微生物代謝如何改變腸道和血淋巴中的代謝物譜，從而直接影響宿主營(yíng)養(yǎng)。

 

三、研究思路

研究遵循了嚴(yán)格的“對(duì)比-關(guān)聯(lián)-機(jī)制”思路：

 

創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停涸趯?shí)驗(yàn)室無(wú)菌條件下，通過(guò)從蜂巢中取出蛹并使其羽化，獲得無(wú)菌（GF）蜜蜂。通過(guò)給新羽化的GF蜜蜂喂食成年工蜂的腸道內(nèi)容物，獲得擁有正常菌群（CV）的蜜蜂。這創(chuàng)造了可對(duì)比的實(shí)驗(yàn)組。

多維度表型測(cè)量：系統(tǒng)比較GF和CV蜜蜂在體重增長(zhǎng)、腸道重量、基因表達(dá)（IIS通路相關(guān)基因）、行為（蔗糖敏感性）等方面的差異。

微環(huán)境精準(zhǔn)測(cè)量：使用丹麥Unisense微電極等高精度工具，直接測(cè)量蜜蜂腸道不同部位的氧氣濃度、pH值和氧化還原電位，揭示微生物創(chuàng)造的物理化學(xué)梯度。

代謝物分析：通過(guò)高效液相色譜（HPLC）和非靶向代謝組學(xué)（GC-MS）分析，定量檢測(cè)短鏈脂肪酸（SCFA）的濃度并全面比較GF和CV蜜蜂腸道內(nèi)容物及血淋巴中的代謝物差異，從化學(xué)角度尋找微生物影響宿主的證據(jù)。

 

數(shù)據(jù)整合與機(jī)制提出：將表型數(shù)據(jù)、微環(huán)境數(shù)據(jù)和代謝數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出微生物通過(guò)代謝產(chǎn)物（SCFAs）→ 影響激素信號(hào)（IIS/Vg）→ 改變宿主行為與代謝 → 最終促進(jìn)體重增長(zhǎng)的作用模型。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)、研究意義及來(lái)源

研究者測(cè)量了多個(gè)層面的數(shù)據(jù)，其意義和來(lái)源如下：

 

宿主體重與腸道重量：連續(xù)測(cè)量蜜蜂的整體濕重以及中腸、回腸和直腸的重量。

 

研究意義：這是最直接的表型證據(jù)，證明了腸道微生物對(duì)宿主生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。CV蜜蜂體重增加比GF蜜蜂高82%，表明微生物是正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：體重增長(zhǎng)曲線和最終腸道重量數(shù)據(jù)展示在 文檔圖1中。

 

激素信號(hào)通路基因表達(dá)：通過(guò)qPCR測(cè)量了胰島素樣肽（ilp1, ilp2）、胰島素受體（inR1, inR2）和卵黃蛋白原（Vg）基因的表達(dá)水平。

 

研究意義：將微生物的存在與宿主內(nèi)在的激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)。CV蜜蜂中這些基因的表達(dá)顯著上調(diào)，表明微生物通過(guò)增強(qiáng)胰島素信號(hào)通路來(lái)驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：基因表達(dá)差異的顯著結(jié)果總結(jié)在 文檔圖1D中。

 

行為反應(yīng)：蔗糖敏感性：通過(guò)測(cè)量蜜蜂的吻伸反射來(lái)評(píng)估其對(duì)不同濃度蔗糖溶液的敏感性。

 

研究意義：將生理變化與行為聯(lián)系起來(lái)。CV蜜蜂對(duì)更低濃度的蔗糖產(chǎn)生反應(yīng)，表明它們處于一種“更饑餓”的狀態(tài)，這驅(qū)動(dòng)了更高的攝食動(dòng)機(jī)，從而解釋了體重增加的行為機(jī)制。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：蔗糖敏感性測(cè)試結(jié)果展示在 文檔圖1E中。

 

腸道物理化學(xué)條件：使用微電極測(cè)量腸道內(nèi)的氧氣濃度、pH值和氧化還原電位。

 

研究意義：直接揭示了微生物活動(dòng)如何從根本上改變其生存的微環(huán)境，這對(duì)于理解厭氧菌的功能至關(guān)重要。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：氧氣徑向梯度、pH和氧化還原電位沿腸道軸線的剖面圖展示在 文檔圖2A和2C中。

 

短鏈脂肪酸（SCFA）濃度：定量檢測(cè)了回腸、直腸和血淋巴中的乙酸、丙酸等SCFA的含量。

 

研究意義：提供了關(guān)鍵的代謝物證據(jù)。SCFAs是微生物發(fā)酵的主要產(chǎn)物，在CV蜜蜂腸道中濃度極高，它們既是直接的能量物質(zhì)，也是調(diào)控宿主生理的信號(hào)分子。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：各部位SCFA濃度數(shù)據(jù)展示在 文檔圖2D中。

 

非靶向代謝組學(xué)譜：通過(guò)GC-MS全面分析了腸道各部位和血淋巴的代謝物。

 

研究意義：宏觀地展示了微生物對(duì)宿主整體代謝狀態(tài)的“重塑”作用。發(fā)現(xiàn)CV蜜蜂腸道中半乳糖醛酸（果膠成分）等植物聚合物降解產(chǎn)物的積累，證明微生物幫助宿主消化花粉等復(fù)雜食物。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：主成分分析（PCA）顯示GF和CV蜜蜂代謝譜顯著分離，結(jié)果展示在 文檔圖3中。

 

五、研究結(jié)論

 

腸道微生物是蜜蜂正常生長(zhǎng)所必需的：擁有正常菌群的蜜蜂（CV）其體重和腸道重量顯著大于無(wú)菌蜜蜂（GF），證明微生物群對(duì)宿主的生長(zhǎng)發(fā)育有直接的促進(jìn)作用。

作用機(jī)制涉及激素信號(hào)和行為調(diào)控：微生物通過(guò)增強(qiáng)宿主的胰島素/胰島素樣信號(hào)（IIS）通路和卵黃蛋白原（Vg）的表達(dá)，提高了宿主對(duì)糖的敏感性（“饑餓感”），從而可能促使宿主攝入更多營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致體重增加。

微生物塑造了獨(dú)特的腸道微環(huán)境：腸道菌群，特別是定植在腸壁的Snodgrassella alvi，通過(guò)消耗氧氣，在腸道內(nèi)維持了一個(gè)從腸壁的微氧到腸腔的絕對(duì)厭氧的梯度。同時(shí)，微生物發(fā)酵產(chǎn)物（如SCFAs）顯著降低了腸道的pH值。

微生物代謝直接貢獻(xiàn)于宿主營(yíng)養(yǎng)：微生物能夠降解蜜蜂自身難以消化的植物多糖（如果膠），產(chǎn)生短鏈脂肪酸（如乙酸、丙酸）等小分子代謝物。這些代謝物不僅能被宿主吸收利用，還能作為信號(hào)分子調(diào)控宿主生理。

 

蜜蜂作為模型的有效性：本研究揭示了蜜蜂腸道微生物在促進(jìn)生長(zhǎng)、調(diào)控信號(hào)和塑造環(huán)境方面的功能，與哺乳動(dòng)物（包括人類(lèi)）的腸道菌群功能具有高度相似性，從而確立了蜜蜂作為研究宿主-微生物共生關(guān)系的強(qiáng)大模型系統(tǒng)的地位。

 

六、丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義詳解

在本研究中，丹麥Unisense微電極被用于高空間分辨率地直接測(cè)量蜜蜂腸道內(nèi)部的氧氣濃度、pH值和氧化還原電位。這些數(shù)據(jù)并非簡(jiǎn)單的環(huán)境參數(shù)記錄，而是理解微生物功能的關(guān)鍵。

其研究意義極為深遠(yuǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

 

首次精確揭示蜜蜂腸道內(nèi)部的“氧氣地形圖”：Unisense氧微電極的尖端極細(xì)（約50微米），能夠像“探針”一樣插入微小的蜜蜂腸道，繪制出從腸壁到腸腔中心的氧氣濃度變化曲線。數(shù)據(jù)顯示，在擁有正常菌群（CV）的蜜蜂回腸中，氧氣濃度從腸壁向內(nèi)部急劇下降，在深入腸腔僅150-200微米處即降為0%，形成了一個(gè)外圍微氧、中心厭氧的鮮明梯度。而在無(wú)菌（GF）蜜蜂的回腸中心，仍能檢測(cè)到約1%的氧氣。這幅精確的“地圖”證明，腸道微生物（特別是S. alvi）是主要的氧氣消耗者，主動(dòng)營(yíng)造并維持了一個(gè)嚴(yán)格的厭氧核心區(qū)**。

為理解微生物的空間布局和功能提供機(jī)制性解釋?zhuān)哼@種氧氣梯度完美地解釋了不同菌種為何定植在腸道的特定位置。例如，需氧菌S. alvi生活在近腸壁的微氧區(qū)，利用從宿主組織擴(kuò)散來(lái)的氧氣進(jìn)行呼吸；而嚴(yán)格厭氧的Lactobacillusspp. 則生存在它創(chuàng)造的厭氧腸腔中心。Unisense的數(shù)據(jù)將微生物的空間生態(tài)位與其生理需求（好氧/厭氧）直接聯(lián)系起來(lái)，揭示了菌群內(nèi)部通過(guò)代謝互作共同塑造微環(huán)境的生態(tài)規(guī)律。

將物理化學(xué)環(huán)境與宿主生理健康聯(lián)系起來(lái)：電極測(cè)量的低pH值和變化的氧化還原電位，是微生物旺盛發(fā)酵活動(dòng)的直接結(jié)果（如產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸）。這種酸性環(huán)境不僅影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶解和吸收，還可能抑制病原菌的生長(zhǎng)。因此，Unisense測(cè)量的不僅是條件，更是微生物群落代謝活性的綜合指標(biāo)，反映了腸道生態(tài)系統(tǒng)的“健康”狀態(tài)。

 

驗(yàn)證體外推測(cè)并建立體內(nèi)外關(guān)聯(lián)：研究人員在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)S. alvi能夠利用乙酸進(jìn)行耗氧呼吸。Unisense在體內(nèi)測(cè)量的氧氣梯度為這一體外發(fā)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的體內(nèi)證據(jù)，證實(shí)了S. alvi在體內(nèi)確實(shí)扮演著“腸道氧氣清道夫”的角色，從而將分子機(jī)制與整體生態(tài)功能完美銜接。

 

總結(jié)：丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了 “微環(huán)境偵探”的角色。它提供的高分辨率原位物理化學(xué)數(shù)據(jù)，將宏觀的菌群效應(yīng)（促進(jìn)生長(zhǎng)）與微觀的腸道微環(huán)境（氧氣梯度、pH）直接耦合起來(lái)。沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，對(duì)微生物如何影響宿主的理解將停留在相關(guān)性和推測(cè)層面；而Unisense的數(shù)據(jù)使其上升到了因果關(guān)系和機(jī)制闡釋的層面，令人信服地展示了微生物活動(dòng)如何物理地改造其棲息地，并進(jìn)而影響整個(gè)宿主的生理狀態(tài)。這是證明“微生物塑造環(huán)境以利己并利他”這一生態(tài)學(xué)核心概念的最直觀、最有力的證據(jù)之一。