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光遺傳學為腸道細菌延長壽命開綠燈

光遺傳學為腸道細菌延長壽命開綠燈

曾經被認為只在食物消化和某些維生素合成中發揮作用的細菌,現在知道生活在我們腸道中的細菌還有更多作用。 這些細菌的數量超過 100 萬億,被稱為腸道微生物組。 除了有益於腸道健康的可預測作用外,研究還發現微生物組在免疫、發炎、心理健康、肥胖、新陳代謝、大腦功能以及最近的衰老方面發揮作用。

這些腸道微生物還會產生調節健康和壽命的各種細菌代謝物,而貝勒醫學院和萊斯大學的研究人員在最近的一項研究中瞄準了這些代謝物。 出版於 電子生活 2020 年 12 月,Hartsough 和同事研究了某種細菌代謝物對蠕蟲老化過程的影響,利用綠光照射來控制基因工程細菌的活性(也稱為光遺傳學)。

引導光來編排基因活動

光遺傳學於 2005 年首次被描述,是一種利用光來控制基因層面和活性的創新方法。 儘管光遺傳學領域相對較新,但某些綠藻物種已經直觀地實踐了它數十億年。 藻類的行為導致了光遺傳學的發現,因為這些單細胞生物利用稱為視蛋白的蛋白質向光源移動,透過光合作用產生生存所需的能量。 

在過去的 15 年裡,光遺傳學不僅徹底改變了神經科學領域,因為該方法最常用於精確控制神經元活動,而且在治療與心臟、眼睛和肌肉相關的疾病方面也顯示出了前景。 現在,hartsough 及其同事展示瞭如何利用光遺傳學來操縱腸道微生物組中的基因活性和細菌代謝。

基因改造正悄然進入 

先前的研究 來自同一團隊發現了 29 個細菌突變體 大腸桿菌 (大腸桿菌) — 意義、版本 大腸桿菌 刪除基因-延長蠕蟲的壽命 秀麗隱桿線蟲 (線蟲) 高達 40%

從那裡,研究人員將範圍縮小到五種細菌突變體,它們通過增加在許多腸道微生物外部發現的一種稱為colanic酸的糖的分泌來促進長壽。 具體來說,其中之一 大腸桿菌 細菌突變體刪除了一個名為 ,編碼一種可降低colanic酸水平的蛋白質; 蠕蟲沒有 結果發現,它們的壽命顯著延長。 

Hartsough 和同事借鑒先前的研究,旨在延長 線蟲 透過餵食它們基因工程菌株 大腸桿菌 當暴露在綠光下時,會增加colanic酸的分泌。

這項研究的目的是透過餵食秀麗隱桿線蟲經過基因工程改造的大腸桿菌菌株,該菌株在暴露於綠光時會增加colanic酸的分泌,從而延長它們的壽命。

 

讓細菌曝光 

研究人員利用對特定顏色做出反應的螢光報告蛋白,設計了一種菌株 大腸桿菌 當暴露於綠光時增加colanic酸的產生並在暴露於紅光時失去活性。 將細菌餵給蠕蟲後,在透明的物體上照射綠光 線蟲 增加了可拉酸的產量,並顯著改善了線蟲生活的多個方面,包括整體壽命和腸道粒線體(也稱為細胞的能量發源地)的功能。 

當暴露在低劑量的綠光下時,含有這種促進colanic酸的蠕蟲 大腸桿菌 該菌株的存活時間約為 12 天,而暴露在紅光下的蠕蟲存活時間為 11 天。 當綠光強度增加時,壽命延長至約14天。 這表明綠光照射後產生的額外的colanic酸以劑量依賴性方式有益於壽命——這意味著綠光照射越強,壽命越長。 如果這些結果以同樣的方式影響人類,假設人類平均壽命為 79 歲,人類將多活 8 到 24 年。以這種方式增加colanic酸的產生可能會導致更長的壽命。

荳蔻酸還可以保護腸道粒線體免受壓力誘導的斷裂(也稱為粒線體裂變)的影響。 由於粒線體是細胞中高度動態的部分,它們經常融合在一起或分裂。 雖然粒線體碎片可以是一種保護性反應——它可以分離和清除受損的粒線體——但這個過程過多會對粒線體的整體功能產生負面影響。 由於粒線體功能障礙與加速老化有關,對酵母菌和蠕蟲的研究發現,抑制這種碎片與延長壽命有關。 

在誘導壓力條件後,綠光暴露顯著抑制了這些蠕蟲腸道中出現的粒線體過度破碎。 研究人員認為,這種對腸道細胞的保護作用是由於腸道內過度產生了colanic酸。 

儘管這項研究解決了衰老問題,但它並沒有解決任何特定的疾病。 研究小組推測,改造腸道細菌以產生更多的colanic酸很快可以用於治療許多其他與年齡相關的疾病。 此外,他們希望光遺傳學能夠透過研究不同的腸道細菌代謝物來發現對人類健康產生積極影響的其他方法。 這得到了我們的批准。 


參考: 

Han B、Sivaramakrishnan P、Lin CJ 等人。 微生物基因組成調節宿主的壽命。  細胞。 2017;169(7):1249-1262.e13。 土井:10.1016/j.cell.2017.05.036

Hartsough LA、Park M、Kotlajich MV 等。 光遺傳學控制腸道細菌代謝以促進長壽。 埃萊夫。 2020;9:e56849。 發佈於 2020 年 12 月 16 日。10.7554/埃萊夫.56849



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