Mount Sinai医学院的研究人员及其合作者发现，许多肠道细菌采用一种灵活的生存策略来抵御抗生素和饮食变化等干扰。
发表在《Cell Host & Microbe》上的这项研究表明，微生物可以在功能状态之间切换，而非仅依赖基因突变来适应环境变化。这些发现揭示了微生物组生物学中此前未被发现的一层机制，并可能有助于解释为什么益生菌和粪便微生物移植(FMT)在不同个体中产生不一致的效果。该论文题为"肠道微生物组中的表观遗传相变增强细菌适应性"。
研究人员表示，人类肠道微生物组不断地被药物、疾病和饮食变化所干扰。然而，它通常能够恢复。到目前为止，科学家们主要将这种恢复力归因于随时间积累的基因突变。
Icahn医学院遗传学和基因组科学教授、基因组AI和微生物组医学中心主任Gang Fang博士表示："我们的研究表明存在另一种机制在起作用。即使在一组基因完全相同的细菌中，一小部分细胞也处于不同的表观遗传状态——DNA上的化学标记改变了基因的表达方式，而不改变遗传密码本身。"
"这意味着某些细胞本质上被预先编程为对压力做出不同的反应，当环境条件突然变化时，这为细菌群体提供了内在的生存优势。"
当引入抗生素等压力源时，这个小亚群可以迅速成为主导，因为它已经准备好应对挑战。当条件再次改变时，种群可以恢复原状。这种可逆策略，被称为"风险对冲"(bet-hedging)，使微生物群落能够快速适应不确定性。
虽然在致病细菌中已经观察到风险对冲现象，但这是首次研究表明它在构成健康人类肠道的有益微生物中广泛存在。
这一发现对人类健康有几项重要影响：
- 益生菌：益生菌胶囊中的细菌可能与在肠道中成功定植的细菌处于不同的功能状态——这可能解释了效果的不一致性。
- FMT治疗：供体和受体之间这些表观遗传状态的差异可能影响微生物群移植的成功率。
- 抗生素恢复：一些肠道细菌可能在抗生素治疗后存活，不是因为它们具有基因抗性，而是因为一部分细胞已经处于保护性的表观遗传状态，允许在治疗结束后快速恢复。
研究人员表示，从长远来看，理解和潜在控制这些可逆开关可能导致更有效的基于微生物组的治疗方法。
这项研究结合了先进的DNA测序、大规模数据分析和实验室实验。科学家使用长读长测序技术分析了婴儿在抗生素治疗前后的粪便样本，以及FMT供体-受体对的样本。这种方法使他们能够同时检测遗传结构和表观遗传修饰。
然后，他们分析了来自先前发表研究的2300多个微生物组样本，以确定这种现象在个体和细菌种类中的普遍程度。
为了详细了解这一机制，研究团队分离了一种有益的肠道细菌——阿克曼氏黏液杆菌(Akkermansia muciniphila)，并追踪了其表观遗传状态如何响应不同抗生素而变化——识别出该过程中涉及的一个特定基因。
Fang博士表示："我们的工作首次系统地证明了人类肠道微生物组中的表观遗传风险对冲机制。它还确定了一个控制有益细菌中这种开关的特定基因，并表明该过程是可逆的——会根据抗生素暴露的类型向不同方向转变。"
"我们惊讶于小亚群能够如此迅速地占据主导地位。在某些情况下，代表不到1%种群的细菌在环境变化条件下成为了主导。"
研究团队还发现，在被认为是一种单一细菌菌株的内部也存在显著的多样性。即使密切相关的细胞也可能表现不同，具有不同的基因活性和应激反应——这突显了在更深层次上还有多少关于微生物组的内容有待理解。
这些发现有助于解释为什么微生物组具有弹性却难以预测，以及为什么基于微生物组的治疗可能产生不同的结果。
Fang博士表示："与此同时，我们的研究并不建议人们在医疗必要时避免使用抗生素，也不推荐或反对任何特定的益生菌。我们的研究旨在理解基础生物学，而不是改变当前的医疗护理。"
研究团队计划随时间研究更大群体的患者，特别是在抗生素治疗和FMT期间和之后。他们还旨在探索其他肠道细菌是否存在类似机制，并研究如何利用这些表观遗传开关。
Fang博士表示："最终，我们的目标是设计更能适应肠道的益生菌，并开发支持有益微生物同时限制有害微生物的疗法。"
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