不同個體的腸道菌群組成各不相同，且與健康密切相關(guān)。個體的遺傳變異是否會影響自身的腸道菌群組成?又是如何影響的?這是國際上的一大研究熱點，也是腸道菌群研究的難點。

為此，中國科學(xué)院院士、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)豬遺傳改良與養(yǎng)殖技術(shù)國家重點實驗室主任黃路生自主設(shè)計，組織團隊歷時12年構(gòu)建了一個用于豬重要經(jīng)濟性狀遺傳解析的嵌合家系，在嚴(yán)格可控條件下進行了系列研究，解答了宿主遺傳對腸道菌群組成的影響。相關(guān)成果近日在線發(fā)表于《自然》。

這是國際上首次在農(nóng)業(yè)動物中發(fā)現(xiàn)宿主基因組影響腸道菌群組成的因果基因突變，對培育生豬新品種及研究人類代謝失調(diào)、結(jié)直腸癌等相關(guān)疾病發(fā)病機理具有重要意義。據(jù)了解，這也是江西省高校和科研機構(gòu)首篇《自然》論文。

12年，只為得到理想實驗豬

腸道微生物是生物機體的重要組成部分。人類和豬等哺乳動物個體腸道中棲居著大量微生物，其組成成分對宿主的健康和畜禽肉、蛋、奶的生產(chǎn)都具有重要影響。

中國科學(xué)院院士高福介紹，宿主遺傳是否影響及如何影響自身腸道微生物組成，在國際上存在學(xué)術(shù)爭議，因為鑒別宿主遺傳對腸道菌群影響的因果基因突變非常困難。

論文通訊作者黃路生說，豬的消化系統(tǒng)、基因組成和器官大小等與人類相似，而腸道菌群組成與人類尤為相似。因此，利用豬作為模式動物，從腸道菌群和宿主基因的相互作用出發(fā)，研究人類疾病的發(fā)病機理及菌群調(diào)控技術(shù)具有重要的參考意義。

然而，豬的基因組非常龐大，有3億個堿基對，要想從中定位到相關(guān)的基因就必須先建立一個具有多樣性的實驗群體。這種多樣性不僅表現(xiàn)在豬的基因組遺傳及表型多樣性，也包括其腸道菌群組成的多樣性。

為建立實驗群體，黃路生特別設(shè)計了利用4個主要西方豬種與4個主要中國(亞洲)地方豬種輪回混合雜交的全球唯一的家豬嵌合家系，并在該嵌合家系第六及第七世代群體中開展了該項目研究。

論文共同通訊作者、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)教授陳從英告訴《中國科學(xué)報》，混合雜交是為了讓不同遺傳背景的豬基因組充分“雜合”在一起，互相嵌合，這樣遺傳和表型變異就多了。而雜交到第六和第七代的時候，8個始祖品種的基因組嵌合已經(jīng)很完全且比較穩(wěn)定了，有利于后續(xù)實驗的開展。

豬一般是一年一個世代，不同豬種間要獲得正反雜交后代非常不易。“所以，光是建立實驗群體，我們就花了12年。”陳從英說。

另辟蹊徑，證明腸道菌群組成可以遺傳

由于腸道微生物組成受飲食、健康等多因素影響，要研究宿主遺傳變異與其之間的關(guān)系，就要在可控的條件下進行實驗。

“我們的實驗嚴(yán)格控制飼料、飼養(yǎng)、健康及環(huán)境條件。”陳從英說，此前的研究之所以有爭議，是因為人類腸道菌群組成往往受多種外部因素的影響，很多研究結(jié)論不可重復(fù)。而利用豬研究腸道菌群就能嚴(yán)格控制外部其他環(huán)境因子的影響。

此前研究還發(fā)現(xiàn)，腸道不同部位的菌群，結(jié)構(gòu)也不同，這使得僅僅采用糞便樣本進行研究有局限性。

該團隊分別測定了兩個世代(F6和F7)1500個實驗個體出生后25天和120天的糞便樣本，以及第240天屠宰后每個個體3個腸道部位(回腸、盲腸、糞便)的腸道菌群組成。

“這種方法更加準(zhǔn)確、全面，能彌補糞便樣本的局限性。”論文第一作者、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院副教授楊慧說，由此發(fā)現(xiàn)同一個體不同發(fā)育階段及腸道部位菌群組成的異質(zhì)性，證明了腸道菌群的組成、豐度具有生長階段和腸道部位的廣泛特異性及多樣性。進一步研究又發(fā)現(xiàn)了腸道菌群組成及豐度的可遺傳性。

該團隊在兩個世代中分別鑒別到1050和955個細(xì)菌分類可遺傳，最高遺傳力可達0.598。“遺傳力又稱遺傳率。一個性狀的遺傳力越高，說明這個性狀的表達型受遺傳因素影響越大，受環(huán)境因素影響越小。”陳從英解釋道。

其中，450個可遺傳的細(xì)菌分類在這兩個世代中被重復(fù)驗證，并且部分可遺傳的細(xì)菌分類與人類腸道中的研究結(jié)果相一致。

“由此證明腸道菌群的組成是可以遺傳的。”陳從英解釋說，盡管現(xiàn)在科學(xué)家對腸道菌群的最初來源和定殖還沒有完全搞清楚，但可以肯定的是，并非所有細(xì)菌都能在個體腸道中定殖下來。

350萬年前的變異發(fā)出強烈信號

至此，難題的破解才剛剛開始。究竟個體的遺傳變異影響了什么菌?又是如何影響自身腸道菌群構(gòu)成的?

該團隊首先對兩個世代1430個嵌合個體進行全基因組重測序，共鑒別到3000多萬個宿主基因組變異。接著對檢測到的8490個細(xì)菌分類進行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，共檢測到1527個顯著影響846個細(xì)菌分類的豐度或存在與否的宿主基因組變異位點。

在3000多萬個宿主基因變異位點中，他們發(fā)現(xiàn)ABO血型基因與菌群組分的關(guān)聯(lián)性非常強，于是決定對ABO血型基因系統(tǒng)進行深入研究。結(jié)果鑒別到家豬ABO血型系統(tǒng)中一個2.3kb的缺失變異。“這個基因片段缺失變異直接導(dǎo)致家豬腸道中丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌的豐度差異。”陳從英說。

該團隊發(fā)現(xiàn)，這個基因缺失變異(O型血個體)導(dǎo)致ABO蛋白的N—乙酰半乳糖胺轉(zhuǎn)移酶失去活性。因此無法把N—乙酰半乳糖胺添加到腸道黏液中高度糖基化的黏蛋白上，導(dǎo)致O型血個體腸道中N—乙酰半乳糖胺濃度降低，從而影響以N—乙酰半乳糖胺作為碳源的細(xì)菌的生長。這類細(xì)菌中最主要的就是丹毒絲菌。

論文共同第一作者、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)吳金鴛介紹，他們基于嵌合家系群體的祖代8個家豬品種、亞洲野豬、歐洲野豬、蘇門答臘野豬、菲律賓疣豬、印度尼西亞爪哇疣豬和非洲普通疣豬，對這個ABO基因2.3kb缺失進行溯源發(fā)現(xiàn)，該缺失突變在上述動物中均存在，且突變的斷點序列在所有樣本中一致，從而證實豬屬中的這個ABO基因2.3kb缺失屬于350萬年前發(fā)生的古老突變。

高福說，這是國際上在農(nóng)業(yè)動物(豬、牛、羊、雞等)中鑒別到的第一個宿主基因組影響腸道菌群組成的因果突變。

中國工程院院士李德發(fā)也指出，這是中國畜牧學(xué)科領(lǐng)域第一篇發(fā)表在《自然》上的研究成果。該項成果對于借助同樣的手段，研發(fā)宿主遺傳通過影響腸道菌群調(diào)節(jié)飼料轉(zhuǎn)化效率和促進生長的新技術(shù)，培育節(jié)糧型和快長型生豬新品種具有重要參考意義。

同時，由于丹毒絲菌科細(xì)菌在人類中與代謝失調(diào)、膽固醇代謝及結(jié)/直腸癌相關(guān)，該研究結(jié)果也為進一步研究人類相關(guān)疾病的發(fā)病機理提供了參考。(記者 李晨)

關(guān)鍵詞： 古老突變改變腸道菌群 腸道菌群 個體的遺傳變異 腸道微生物