一個古老的小片段基因缺失改變了腸道菌群

　　不同個體的腸道菌群組成各不相同且與健康密切相關。個體的遺傳變異是否會影響其自身的腸道菌群組成？又是如何影響的？

　　由于受到多重因素的影響，許多研究，尤其是在人類中的研究，難于被重復。科學家們在《自然》及其子刊發表了不少爭論性文章。這是國際上的一大研究熱點和難點。

　　為此，江西農業大學豬遺傳改良與養殖技術國家重點實驗室黃路生院士自主設計，組織團隊歷時12年構建了一個用于豬重要經濟性狀遺傳解析的嵌合家系，在嚴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影響。

　　相關成果近日在線發表于《自然》雜志。這是在國際上首次在農業動物中發現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，以及從宿主基因和腸道菌群互作出發研究人類代謝失調、結直腸癌等相關疾病發病機理具有重要參考意義。這也是國際豬基因組與遺傳育種領域近20年來在《自然》發表的第三篇研究論文（上一篇是2012年）。

　　12年只為構建一個實驗群體

　　腸道微生物是生物機體的重要組成部分。人類以及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、奶的生產都具有重要影響。

　　中國科學院院士高福介紹，宿主遺傳是否影響以及如何影響自身的腸道微生物組成，在國際上存在學術爭議。因為要鑒別到宿主遺傳對腸道菌群影響的因果基因突變，是非常困難的。

　　論文通訊作者黃路生說，豬的消化系統、基因組成和器官大小等與人類相似，特別是相比較于小鼠，其腸道菌群組成與人類更為相似。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，研究人類疾病的發病機理及菌群調控技術具有重要的參考意義。

　　然而，豬的基因組有3億個堿基對，非常龐大，要想從中定位到相關的基因就必須首先建立一個具有多樣性的實驗群體。這種多樣性不僅表現在豬的基因組遺傳多樣性、表型多樣性，也包括其腸道菌群組成的多樣性。

　　為了建立這個實驗群體，黃路生院士獨特地設計了利用四個主要西方豬種與四個主要中國（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、江西農業大學教授陳從英告訴《中國科學報》，混合雜交是為了讓不同遺傳背景的豬的基因組充分的“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很完全且比較穩定了，有利于后續實驗的開展。

　　豬一般是一年一個世代，剛開始的時候設計的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，我們就花了十二年的時間”。陳從英說。

　　另辟蹊徑彌補傳統方法的局限性

　　然而，由于腸道微生物組成因受飲食、健康等多因素影響，要研究宿主遺傳變異與腸道菌群組成之間的關系，就要在可控的條件下進行實驗。

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

　　此前研究還發現，腸道不同部位的菌群結構并不同，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天屠宰后每個個體三個腸道部位（回腸、盲腸、糞便）的腸道菌群組成。

　　“這種方法更加準確、全面，能彌補糞便樣本的局限性。”論文第一作者、江西農業大學生物科學與工程學院青年副教授楊慧說，由此發現同一個體不同發育階段及腸道部位菌群組成的異質性，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。

　　進一步研究發現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到遺傳因素影響越大，受到環境因素影響越小。”陳從英解釋道。

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

　　“由此證明腸道菌群的組成是可以遺傳的。”陳從英解釋說，盡管現在科學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，并非所有細菌都能在個體腸道中定殖下來。“這受到多種因素的影響，但很大程度上與不同個體擁有不同的基因型有關，因為基因型會影響其自身腸道中可定殖細菌的類型、豐度以及數量。”

　　350萬年前的變異發出強烈信號

　　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以及如何影響自身腸道菌群構成的呢？

　　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個細菌分類進行了全基因組關聯分析，共檢測到1527個顯著影響846個細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，他們發現ABO血型基因與菌群組分的關聯性非常強，于是決定對ABO血型基因系統進行深入研究。

　　結果鑒別到家豬ABO血型系統中一個2.3kb的缺失變異。“這個基因片段缺失變異直接導致了家豬腸道中丹毒絲菌科相關細菌的豐度差異。”陳從英說。

　　該團隊進一步研究解析了2.3kb的缺失變異影響家豬腸道中丹毒絲菌科相關細菌豐度的分子機制。他們發現，這個基因缺失變異（O型血個體）導致ABO蛋白的N—乙酰半乳糖胺轉移酶失去活性。因此無法把N—乙酰半乳糖胺添加到腸道粘液中高度糖基化的黏蛋白上，導致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菌的生長。這類細菌中最主要的就是丹毒絲菌。

　　論文共同第一作者、江西農業大學吳金鴛介紹，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缺失進行溯源發現，該缺失突變在上述動物中均有存在，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350萬年前發生的古老突變。

　　高福說，這是國際上在農業動物（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指出，這也是中國畜牧學科領域第一篇發表在《自然》上的研究成果。該項成果對于借助同樣的手段，研發宿主遺傳通過影響腸道菌群調節飼料轉化效率和促進生長的新技術，培育節糧型和快長型生豬新品種具有重要參考意義。

　　該項研究不僅在成果上具有重要意義，所建立起來的技術路線對于進一步研究宿主基因與腸道菌群相互作用，從而促進生豬健康，提高生長速度、飼料利用和繁殖也具有重要的參考意義。同時，由于丹毒絲菌科細菌在人類中與代謝失調、膽固醇代謝及結/直腸癌相關，該研究結果也為將來人類以上相關疾病的發病機理提供參考。