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與染色體共舞:腸道細菌的附基因調控

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繼上次小編討論到腸道微生物的多重角色(參考文章:神通廣大的腸道微生物)之後,我們這次要從分子生物學與細胞生物學的角度,來看看牠們對於人類染色體的實際影響。信不信由你,這群住在人類腸道的小小細菌,可以透過一些結構簡單的代謝產物來影響人類不同器官的基因表現。如果各位看倌還有印象,先前的文章中提到的短鏈脂肪酸(SCFA),正是在背後操縱我們的染色體的幕後黑手。先別太緊張,短鍊脂肪酸畢竟是用意良善的好傢伙,它們不會修改我們的DNA序列,而是在染色體的組蛋白(histone)上動手腳,藉以調控基因表現,這樣的行為在生物學裡稱之為「附基因調控」(epigenetic regulation)。因為很多人類遺傳疾病以及癌症都牽涉到附基因調控,這篇文章就是要從腸道細菌的角度出發,看看附基因調控究竟是怎麼一回事。

在所有腸道菌製造的短鍊脂肪酸中,丁酸(butyrate)可以說是最有趣的一種。它的產量最少,卻是責任重大;除了可以做為大腸細胞的養分來源之外,最受曙目的功能是它的抗癌效果以及抑制histone deacetylase(HDAC)來達到附基因調控的目的。一般而言,附基因調控的手法有兩種:一種是對histone做甲基化(methylation),另一種則是乙醯化(acetylation),簡單說就是對 histone做化學修飾。至於腸道細菌究竟是用哪種方法來操控人類呢?就請各位繼續往下看囉。
 

為了初步瞭解腸道微生物的附基因調控情形,Denu博士的團隊以老鼠為對象,研究肝臟(Liv)、大腸(Col)和脂肪組織(Adi)在腸道微生物的存在下,和無菌老鼠相比的histone的化學修飾變化([1])。為了驗證histone的化學修飾是可以隨著腸道微生物轉移到其他個體,他們採用一組常態培養的老鼠(R),其腸道中有環境中自然獲得的菌種,以及另一組接受前者腸道菌移植的老鼠(D)來比較。圖[1]的結果告訴我們一個重要的事實:腸道菌主要是影響histone 4(H4)的乙醯化程度來調控我們的基因,因為這一類型的化學修飾在R組和D組都有一樣的趨勢([1]最下方五列),其中D組的變化又比R組更明顯。


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1. 腸道菌主要影響histone 4的乙醯化.

左邊上方的色階表表示的是和無菌鼠相比對的倍數改變(fold change),下方圖表表示特定種類的化學修飾在所有種類所佔百分比.


接下來,他們研究不同的飲食條件和腸道菌的存在,是否會影響短鍊脂肪酸的產量。圖[2]的實驗中,他們比較了幾組不同條件的老鼠,包括無菌鼠(GF)、常態培養老鼠(ConvR)和腸道菌移植鼠(ConvD)。測試在不同飲食條件下,包括正常飲食(Chow)和高脂高糖飲食(HF/HS),這些老鼠體內的短鍊脂肪酸含量差異。得到的漂亮結果可以歸納為兩個重點:

(1)  無菌鼠體內的短鍊脂肪酸含量是最低的

(2)  高脂高糖飲食會降低短鍊脂肪酸的產量

從以上的發現,我們得到的結論是:短鍊脂肪酸的製造受到腸道菌和飲食的雙重影響。


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2. 短鍊脂肪酸在不同飲食條件和腸道菌狀態的產量.

橫軸是短鍊脂肪酸種類,包括乙酸(acetate)、丙酸(propionate)和丁酸(butyrate),縱軸是以濃度表示的酸類含量.


延續圖[1]和圖[2]的結論,接下來他們想探討的是受腸道菌影響的H4乙醯化程度是否會因為飲食條件而改變。在肝臟(Liver)、脂肪(Adipose)以及近端大腸(Proximal colon)的組織中,我們可以看到高脂高糖的飲食會導致乙醯化程度降低([3])。從目前的實驗結果,我們已經知道不健康的高脂高糖飲食會透過降低腸道菌的短鍊脂肪酸產量來降低整體H4乙醯化的程度。

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3. 不同組織在不同飲食條件下的H4乙醯化情形.

各個圖表橫軸代表H4乙醯化的數目(0ac-4ac),縱軸是和無菌鼠互相比較的倍數變化.

好消息是,儘管無菌鼠缺乏可以製造短鍊脂肪酸的腸道菌,透過補充短鏈脂肪酸,無菌鼠的乙醯化程度和生理代謝也可以在一定程度上接近有腸道菌的老鼠。圖[4]的實驗中,結果顯示補充短鍊脂肪酸的無菌鼠(GF + SCFA)和有菌鼠(ConvD)在肝臟(Liver)以及近端大腸(Pr. Colon)組織的histone化學修飾情形非常類似。在這邊可能會產生的疑問是:既然腸道菌主要影響H4的乙醯化,為什麼圖[4]還會列出其他種類的化學修飾呢?其實histone乙醯化影響的層面相當廣,在某些未知的機制上,腸道菌或許會透過影響H4乙醯化來更精密地控制其他化學修飾,只是效果不像我們在H4上看到的那麼明顯。


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4. SCFA的補充在肝臟和近端大腸組織引起的histone化學修飾情形.


為了進一步瞭解腸道菌或短鍊脂肪酸影響的histone化學修飾在生理上的功能性,他們另外做了肝臟組織的RNA定序來分析基因的轉錄表現。圖[5]左方圖表的結果顯示補充短鏈脂肪酸的效果,在影響基因轉錄表現的層次上十分接近有菌鼠,右方圖表的功能性註釋告訴大家,這些基因負責調控免疫系統、特定細胞分化以及脂質的代謝。



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5. 有菌鼠和補充SCFA的老鼠肝臟基因功能性註釋和分類.
總結
文章的最後,小編來幫大家做幾個重點提示:

(1) 腸道菌是產生短鍊脂肪酸這種好東西的主要生力軍

(2) 不良的飲食習慣(e.g. 高脂肪高糖)會影響腸道菌叢

(3) 受影響的腸道菌叢沒有足夠的短鍊脂肪酸來做附基因調控

(4) 脫序的附基因調控造成疾病

看過以上幾點,大家是不是更瞭解飲食、腸道菌和健康的因果關係了呢?當然這只是腸道菌真面目的冰山一角,況且老鼠的實驗結果不一定能忠實地反映在人類身上,只是藉由這樣的例子,讓讀者大概瞭解附基因調控和腸道菌以及飲食的關聯。未來小編將為大家介紹更多腸道菌的花招,敬請拭目以待囉。

參考文獻

[1] Krautkramer, K. A., Kreznar, J. H., Romano, K. A., Vivas, E. I., Barrett-Wilt, G. A., Rabaglia, M. E., et al. (2016). Diet-Microbiota Interactions Mediate Global Epigenetic Programming in Multiple Host Tissues. Molecular Cell, 1–12.

[2] O'Keefe, S. J. D. (2016). Diet, microorganisms and their metabolites, and colon cancer. Nature Publishing Group, 13(12), 691–706.



圖爾思生物科技/ NGS事業部

  許方瑜  文案

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