共生菌除了在果蝇不同发育阶段有所不同之外,在不同龄成虫之间也有差异。随着果蝇衰老,其体内细菌数量逐步增加,并且优势菌由乳酸菌转变为醋酸杆菌。此外,饮食、宿主行为、环境因子也会在一定程度上影响果蝇肠道菌群的数量和组成。DNA高通量测序技术揭示了肠道菌群的多样性、复杂性和可塑性,使肠道微生态成为研究热点之一。然而,我们对肠道菌调节宿主生理和病理的分子机制仍然不清楚,这日益成为制约肠道微生态发展的瓶颈。
果蝇是经典的遗传学模式生物,前人多用于研究果蝇对病原体的先天免疫应答,但是最近,研究者开始利用果蝇模型,研究它与共生微生物之间有益的相互作用。为什么果蝇是一个优秀的无菌和悉生动物[2]模型呢?首先,果蝇体外排卵,可以收集胚胎,并且胚胎外面包裹着一层几丁质,能抵御一定的物理和化学处理,所以只须通过体表消毒,即获得无菌胚胎。在无菌的基础上,接种特异细菌,便可建立悉生模型。其次,果蝇肠道与菌落结构均和人类相似,具有很高的保守性。最后,可借助果蝇强大的遗传学操作优势,解析肠道菌调控宿主的分子机制。总之,果蝇是研究宿主与微生物相互作用的一个优秀模型,让难获得的无菌和悉生动物在生物医学界“飞入寻常百姓家”,有助于我们深入了解细菌调控宿主生理的分子机制。
具有讽刺意味的是,对果蝇相关微生物的研究历史,几乎与这个遗传模型一样悠久。起初,人们试图通过标准化营养而减少环境因素对表型的影响,以减小实验中的误差,而现在利用悉生果蝇以观察宿主—微生物相互作用。也就是说,在无菌果蝇基础上,加入单一或者少数的已知菌株,构建悉生果蝇模型,以研究该菌株对宿主生理、免疫、神经行为等方面的特异作用。
果蝇可以作为一种高通量筛选的活体模型。相比小鼠和人,它们更加廉价方便,且操作性与可重复性强。除了果蝇提供的众多遗传工具和资源以外,与脊椎动物的微生物多样性(超过500个分类群)相比,果蝇相关的微生物群相对简单(约20个分类群)。简单的果蝇微生物群,使研究人员能够评估每一种微生物对宿主表型的作用,并且深入揭示细菌调控宿主生理的分子机制,包括对病原体的排斥、先天免疫调节、代谢、神经和行为等。到目前为止,绝大多数研究集中于微生物调控宿主代谢和免疫。(www.xing528.com)
果蝇需要共生微生物为其提供补充营养,或者提高资源利用效率。在高等动物中,肠道菌群主要在宿主体内发挥作用,通过分泌的酶降解宿主难消化的纤维素等物质,而改善宿主营养环境,同时发酵碳水化合物,生产短链脂肪酸,提高能量的综合利用效率。与高等动物不同,果蝇肠道微生物数量相对较少,从几十个到十几万个,而且果蝇肠道长度短,排空速度较快,所以体外可能是微生物发挥作用的主要场所,这也符合腐生动物的生态习性。在体外,共生菌同样可以降解纤维素,合成菌体蛋白质,发酵产生有机酸。这些经过微生物处理后的食物,对果蝇来说更加富有营养。常规饲养的果蝇拥有最快的生长速率,无菌果蝇幼虫发育迟缓,说明共生菌可以促进果蝇的发育和生长。单株共生菌能够将无菌果蝇的发育恢复至正常水平,特别在营养缺乏的条件下(1%以下失活酵母或酪蛋白),更能促进幼虫的生长。
植物乳杆菌是自然界促进果蝇生长发育一种典型共生菌,它可以增强氨基酸同化作用,从而激活TOR信号通路。TOR信号通路进一步激活生长激素(如蜕皮激素)分泌,从而促进果蝇的生长发育。醋酸杆菌通过胰岛素信号通路,可以使低蛋白质食物下幼虫的生长状态恢复至最佳状态。胰岛素的促生长作用需要细菌PQQ —ADH依赖的氧化呼吸链[3],以帮助醋酸杆菌氧化乙醇和生产乙酸。此外,微生物还可以刺激果蝇肠上皮细胞分裂增殖,增进肠肽酶的分泌,从而增强肠道的消化能力。
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