Tuesday, February 26, 2019

《自然》子刊:肠道菌群与糖尿病关系实锤了!科学家发现肠道菌群分泌的丁酸会改善胰岛素响应,而丙酸会增加2型糖尿病风险丨临床大发现

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 奇点糕 奇点网 1周前


现在发现的肠道微生物与疾病的关系可谓数不胜数,癌症心血管疾病肥胖等各种常见的疾病都与它相关,不仅如此,前不久我们还刚报道了肠道微生物竟然还与抑郁症有关系

这让奇点糕不尽感叹,人体到底谁说了算?!

不过,之前大部分研究都只是证明肠道微生物与疾病可能有关,并不能说明就是肠道微生物导致了这些疾病。

可是就在今天,科学家终于敲下了肠道微生物与一种常见疾病——糖尿病之间关系的实锤。

荷兰格罗宁根大学的Cisca Wijmenga和英国牛津大学的Mark McCarthyl领导的一个联合团队发现肠道微生物产生的丁酸,能改善人体的胰岛素响应;而另一种产物丙酸的异常,则会提高2型糖尿病的发病风险。相关研究发表在著名学术期刊Nature Genetics上[1]。

本文通讯作者Cisca Wijmenga 博士
人体微生物的数量甚至超过了人体本身细胞的数量,如此庞大的菌群必然会对身体产生千丝万缕的影响。而大部分菌群又都存在于肠道中,因此,肠道微生物一直是近年来研究的热点。

不过,现在对肠道微生物的研究普遍存在一些问题。

一方面,很多研究都做的不够深入,很多情况下都只发现了一些相关性的证据(如菌群变动与疾病相关等),缺少细致的因果关系,这样就很难应用于临床[2]。

另一方面,还有不少研究是在动物身上完成的,例如,科学家就在动物中发现,肠道微生物促进2型糖尿病发展的原因[3]。这些研究可能找到因果关系,但很难说就一定适用于人体。


虽然人们发现,肠道菌群与2型糖尿病各种相关。可是目前还缺少在人体中,肠道微生物与2型糖尿病之间关系的直接证据。这也让通过干预肠道微生物,防止糖尿病的努力裹步不前。

不过,人们一直在努力朝这个目标前进。

之前有研究表明,由肠道微生物发酵产生的短链脂肪酸会影响血糖的水平[4]。但是,对于各种不同的短链脂肪酸(如乙酸、丙酸、丁酸等)到底发挥了怎样的作用,目前还不清楚。

为了搞清这个问题,研究者们收集了荷兰952名志愿者的数据,包括:全基因组数据、肠道宏基因组(指肠道中全部微生物的基因组)数据、粪便中短链脂肪酸的含量,以及他们的临床数据进行分析。其中,临床数据包括各种人体参数及血糖指标。

他们试图找到肠道微生物组——代谢产物组——人体指标(包括血糖指标)之间的具体联系。

从这些数据中,研究人员着重分析了245种微生物特征,包括2种粪便中的短链脂肪酸水平、57种独特的微生物分类单元以及186条微生物的信号通路。


                                         
他们通过一种叫双向孟德尔随机化设计的方法,来寻找微生物特征与血糖特征之间的因果关系。并用反变量加权方法进行检验,以鉴定出最佳的可能。

经过分析,研究人员发现在口服葡萄糖耐量试验中,4-氨基丁酸的降解与胰岛素分泌的上升有关。

4-氨基丁酸的降解产物正是丁酸。而在这些人的样本中,4-氨基丁酸降解通路活跃的菌(Eubacterium rectaleRoseburia intestinalis正是著名的丁酸产生菌。

这说明丁酸很可能在摄入葡萄糖后,促进β细胞分泌胰岛素,调节血糖。

丁酸促进胰岛素响应

这个观点得到了一个独立的临床研究的证明。

一项对35名健康个体中的肠道菌群干预试验表明,通过补充益生菌降低产生丁酸盐的细菌的水平,会对葡萄糖代谢产生不利影响。

并且,研究人员还发现肠道菌群生产的另外一种短链脂肪酸——丙酸,会增加糖尿病的风险。粪便中丙酸含量越高,2型糖尿病风险越高。而对英国一个数据库里的数据进行检索,也印证了这个结果,粪便里丙酸水平升高与2型糖尿病的风险升高有关。

这说明丙酸可以作为预测2型糖尿病的风险因素。而且,人们可以从丙酸出发,寻找2型糖尿病产生的机制。

这个研究首次在人体中找到了,肠道菌群与胰岛素抵抗以及2型糖尿病之间的因果关系。即:丁酸可以促进餐后胰岛素分泌;而粪便中丙酸含量的增加,会提高2型糖尿病的风险。

当然,作者也表示,丙酸与糖尿病风险之间的因果关系,需要进一步的研究。现在还是要谨慎对待。

此外,虽然这个队列是目前在人群研究中最大的队列,但是仍然不足以弄清所有肠道微生物的特征。因此,后面需要更大、更全面的人群研究。

不过,无论如何,这个研究为后来的研究者们指明了方向。向人们展示了通过干预肠道微生物(如生产丁酸)治疗调节血糖,以及通过肠道微生物预测和及早防治2型糖尿病的广阔前景。

编辑神叨叨
丁酸在很多研究中(包括本研究)证明是一种有益的产物,不过也有报道称丁酸产量过高的话,也是有害的,因此要辩证地看。

未来是不是要研究下大脑微生物,看我们是不是真的被微生物控制的~

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参考资料:
[1] Serena Sanna et al. Causalrelationships among the gut microbiome, short-chain fatty acids and metabolicdiseases. Nature, 2019, Doi: org/10.1038/s41588-019-0350-x
[2] Brunkwall L, Orho-Me. 2 diabetes: fromcurrent human evidence to future possibilities[J]. Diabetologia, 2017, 60(6): 943-951.
[3] Kreznar J H, Keller M P, Traeger L L,et al. Host Genotype and Gut Microbiome Modulate Insulin Secretion andDiet-Induced Metabolic Phenotypes[J]. Cell Reports, 2017, 18(7): 1739-1750.
[4] Zhao L, Zhang F, Ding X, et al. Gutbacteria selectively promoted by dietary fibers alleviate type 2 diabetes[J].Science, 2018, 359(6380): 1151-1156.

刷新认知!含八种核苷酸的双链DNA首次问世,重新定义自然界遗传语言

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 iseqer 测序中国 4天前
图:IU SCHOOL OF OF MEDICINE
地球上的所有生命的遗传密码都基于四种核苷酸。而现在,科学家已经创造出了由八种核苷酸组成的双链DNA
根据今日发表于《科学》杂志的一篇文章,研究人员通过将四种合成核苷酸与天然存在于核酸中的四种核苷酸相结合,突破性地创造了具有“八字母”的DNA分子结构,名为“Hachimoji(日语‘八’和‘字母’) DNA”。这是科学家首次创造出一种合成的“八字母”遗传语言,该分子结构和功能与天然的DNA分子相似,可以储存信息甚至被转录成RNA。研究人员表示,这种“八字母”DNA分子的信息存储能力是天然核酸的两倍,可能存在广阔的生物技术应用前景。此外,这一结果也扩大了可能支持生命的分子结构范围,包括整个宇宙的生命,表明了更广泛的化学物质可以支持生命
在论文发表后,诸多业内资深人士也对这项成果表达了由衷的赞叹。
“这真是一篇激动人心的论文……一项杰出的技术成就。它如此优雅地增加了DNA及RNA构建模块的数量,并大大扩展了核酸的信息密度。”来自美国西北大学的生物工程学家Michael Jewett并未参与这项研究,但对这项成就赞叹不已。
来自斯克里普斯研究所的Floyd Romesberg对此评价道:“Steve现在所展示的是,你可以将DNA的单位翻倍,并保持可预测的化学过程,我认为这是惊人的,这是一项里程碑式的成就。”他还补充道,这项研究表明,在地球上进化出的四种化学物质并没有什么特别的“魔力”或特殊含义。 “这是一个概念上的突破。”
美国里士满大学生物学家Eugene Wu也表示:“看到有人设计出这样一个系统,真是令人兴奋。它引人思考这样一个生命起源的问题:为什么这4个核苷酸形成了核酸?为什么不能是8或者其他数字呢?”
无论是什么原因,在过去的40亿年左右,只有两种碱基对,即A-T、C-G,或者在RNA情况下的A-U,是大自然创造地球上无穷无尽生命所需要的一切基础。但论文通讯作者、佛罗里达州应用分子进化基金会项目负责人Steven Benner则表示,理论还有更多可能。
图:Steven Benner教授
当嘌呤(G或A)通过氢键与嘧啶(C、T或U)相连接时,碱基对就形成了。然而,也有其他嘌呤和嘧啶型的结构可以假设连接产生与标准DNA相同的螺旋结构。长期以来,科学家一直试图在遗传密码中添加更多对碱基。例如,在20世纪80年代,Steven Benner首次创造了“非自然”的碱基。其他研究小组也紧随其后。Steven Benner预计总共有4种其他氢键碱基对是可能存在的,它们由8个新的结构组成。他认为:“从本质上讲,DNA还没有完全利用其结构极限。正因为如此,DNA分子可以被扩展……你可以添加更多‘字母’。”
此前,Steven Benner研究团队已经将两个合成核苷酸(Z-P碱基对)结合到DNA中,并证明它们可以在体外复制和转录。现在,该团队再次增加了一种碱基对——S和B。
作为信息存储系统,DNA必须遵循可预测的规则。团队首先证明,与常规碱基类似,合成碱基能够可靠地形成配对。他们创造了数百个合成DNA分子,发现这些字母可以被预测地联系在一起。此外,研究团队还表明,无论合成碱基的顺序如何,双螺旋结构都能够保持稳定。该团队将化学合成的新型核苷酸整合到双链寡核苷酸(含有G、A、T、C、Z和P)中,然后测试了这些分子的熔解温度,即氢键断裂形成单链分子的温度。研究人员观察到熔解温度平均在预测值的2.1℃以内,与标准DNA寡核苷酸的误差范围类似,具可预测的热力学稳定性。三种不同“Hachimoji DNA”寡核苷酸的高分辨率晶体结构也证实了结构的相似性。
从化学上讲,“Hachimoji DNA”的外观和表现与标准DNA相似。然而,能够读懂和处理核酸的酶是很难被欺骗的,因此,为了将“Hachimoji DNA”转录成RNA,研究团队尝试了许多噬菌体RNA聚合酶变体,直到团队发现其中一种能够完成这项任务。利用这种RNA聚合酶,研究团队转录了一种已知的RNA适配体的“Hachimoji”版本。这种适配体名为“Spinach”,能够结合并照亮一个特定的荧光团。不出所料,转录的“Hachimoji RNA”能够如预期的那样发光。
毫无疑问,产生功能性“Hachimoji RNA”的能力为RNA生物技术领域开辟了许多可能性。RNA可以作为催化分子,所以使用新型核苷酸链,则可以产生更多官能团,它们可以与目标分子进行不同类型的相互作用,增加催化范围。“Hachimoji DNA”甚至可以与其他基于不同碱基对的人工合成核苷酸相结合,从而进一步提高功能。
对于这种刚刚问世的新型分子结构,无数更广阔的应用领域正在不远的未来。更重要的是,“Hachimoji DNA”的存在突破了自然界遗传语言的界限,或许在某个遥远的外星世界,生命形式正以我们从未想象到的形式存在。
参考资料:
1. S. Hoshika et al., “Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks,” Science, 363:884–87, 2019.
2. DNA’s Coding Power Doubled
https://www.the-scientist.com/news-opinion/dnas-coding-power-doubled-65499
3. Four new DNA letters double life’s alphabet
https://www.nature.com/articles/d41586-019-00650-8
· END ·

大学时留级的上班族大叔,在得了诺贝尔奖之后的16年......

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 Lens WeLens 5天前

NHK 最近做了一期回顾日本平成30年间科学成就的纪录片。

片中,作为科学家代表接受访问的是一个叫做田中耕一的男人。


他是日本史上最年轻的诺贝尔化学奖得主。
他的获奖曾引起爆炸性的社会讨论。
他的粉丝一度把马路堵得水泄不通。


为什么一个科学家能够得到民众如此热情的追捧?

原因有很多,很重要的一个是:
这个拿诺贝尔奖的田中,
当时并不是什么学术名家,
也没有硕士、博士学位,
他只是一家公司里的基层职员。

40多岁的某一天,
突然被告知获得了诺贝尔奖,
他当时的第一反应是:
“这应该是一个恶作剧吧……”



“都是由于我的无知……”


事情要回溯到2002年。
某一天,岛津制作所的职员田中耕一突然接到了一通越洋电话。

“你是田中耕一吗?”
对方讲的是英语。
田中听到了自己的名字,便回复自己就是。

“祝贺包括您在内的三人获得今年的诺贝尔奖!”

田中勉强听懂了“祝贺”“诺贝尔”的单词,
但心想诺贝尔奖跟自己能有什么关系,
应付了几句之后就把电话挂断了。

“我还以为是同事的恶作剧呢。”
事后田中这么跟记者说。

但很快,田中意识到情况不对了。
因为公司里的电话开始此起彼伏地响了起来。
办公室里的同事也纷纷坐不住了。

同一时刻,
看到新出的诺贝尔奖获奖名单的日本记者们都在焦急地相互询问。
前两年的诺贝尔化学奖得野依良治白川英树在看到新闻后也为此互相打听。

人们的疑惑很一致:
这个田中耕一究竟是谁?


媒体和学界的人搞不清楚田中是谁很正常。
因为田中耕一没有任何博士、硕士头衔。
获奖的当天,他的身份只是一个大学本科毕业的公司里的基层员工。

好不容易从田中所在的岛津制作所的员工名册上找到田中耕一后,
记者们从各地赶到,把岛津围得水泄不通。

在同事的祝贺声中田中才搞清楚了状况:
原来是自己多年前在实验室里的一次歪打正着,替自己摘得了科学界的最高荣誉。

获奖的理由是:
发明了生物大分子的质谱分析法”。

简单来说是这么一回事:
以前,科学家们在分析蛋白质一类的大分子时必须使用激光照射分析物,
但大分子一旦被激光直接照射就会产生碎裂。
而田中发明了一种可以用激光照射但不会损坏大分子的方法。

不过,这个发明有意外的成分。

“由于我对当前的化学、生物化学理论的无知,我不知道目前理论认为蛋白质大分子不大可能通过这个方式被离子化。”田中耕一很坦率地对记者们说道。

“在后面的操作中,我手误加错了试剂,不小心把甘油滴进了钴试剂之中。考虑到钴试剂还是挺贵的,丢了太浪费了,所以也同样拿来做了次测试。”

结果就这么歪打正着地将前人一直束手无策的生物大分子成功分离了。

那一年,他28岁。


之后,田中把这个意外的成果发表在了不是很重要的刊物上。
就这样,又平凡无奇地过了十几年:
上班,下班……

田中领取当年的诺贝尔奖




挂科、留级、工作面试没通过...


当晚九点,田中走到了闪光灯前。
由于事出突然,
田中只能穿着当时身上的工作服上台。


对着麦克风说出的第一句话是:
“要是能提前准备的话我一定会穿上正装。穿着工作服来面对大家实在很抱歉。”

整个发布会过程中,田中始终显得窘迫不安。


回答记者问题到一半的时候,
田中裤子口袋里的手机铃声突然不合时宜地响了起来。


他只好在众目睽睽之下掏出手机,
尴尬地向电话那头解释自己正在接受采访。


挂掉电话后,再不好意思地告诉大家:是妻子的电话。

对于当时电视机前的日本民众来说,
这个三七分发型、穿着工作服、在直播中给家人打电话的工程师大叔,
看起来不像是印象中那种遥不可及的科学家,
而更像是自己的生活中会出现的普通人

田中成名了。而且是爆发性的。


当时的日本依然被经济衰退的阴影笼罩,
无数人在田中身上看到了亲和又励志的特质。
而且,人们越是了解田中,
就越能在他的身上看到自己的影子。


田中本科的大学是东北大学,在日本是很不错的学校。
但他在学校的成绩毫不起眼。
当时的同学形容他“总是很安静,几乎没看过他和周围同学嬉闹的样子”。

入学不久,田中就遭遇了一个晴天霹雳。
因为一个意外,他偶然发现:
自己原来是被领养的。
亲生母亲在生下自己不久后就因病去世了。

这个消息给了田中很大的打击。

这之后他的学习成绩一蹶不振,
德语课还挂了科,最终留级了一年

大学毕业后,田中本想去心仪的索尼上班,
但却没有通过面试

迷茫时跑去跟大学时代的导师商量,
这才在导师的推荐下去了岛津制作所。

刚加入岛津研究所的田中

得知亲生母亲是因病去世后,
田中曾想在毕业后从事医学相关的研究。

但事与愿违,
进入岛津制作所后,他被分派到了化学部门。
与他的大学专业电气工程也不完全对口

但田中也接受了。
一直任劳任怨地埋头工作着,
对于出人头地几乎没什么抱负。

35岁那年,田中结婚了。
对象是相亲了20多次以后才认识的

工作一段时间后,公司提出给他升职,
他却因为想继续留在第一线做研究而谢绝了。
就这样,直到获得诺贝尔奖那天,
田中都还只是基层职员。

为田中赢得诺贝尔奖的这项专利给岛津制作所带来了大量收益。
而在当时,田中仅仅获得了来自公司一万日元左右(约合人民币700元)的奖励。

意识之前到对田中的亏待,
岛津制作所进行了一系列补救措施。
先是给田中追加了一千万日元的奖励,
接着专门设立了一个以田中命名的研究所。

本来还想将田中的职位提拔到部长级以上,
却被田中以“想专注研究工作”为由回绝了。

外界急切地想要替他鸣不平,
田中本人却对这件事情看得很淡:

“一直以来,
能够做自己喜欢的研究就已经很满足了,
所以在钱方面我几乎没怎么考虑过。”




“诺贝尔奖是我人生痛苦的开始


获奖后,媒体的采访持续了好几个星期。
但在镜头前,
田中始终没有拿出过那种得奖者的意气风发。


采访的最后一天,
一名外国记者询问田中此刻最想做的事,
田中的回答经过翻译后引起了哄堂大笑:

“Leave me alone."
(让我一个人待着)


田中是认真的。
在那之后的十几年里,
田中几乎不再接受媒体的采访。

那么,这16年间,他到底在想些什么呢?

这次,在 NHK 的镜头前,
田中道出了从未对外披露过的心声:


获得诺贝尔奖是我人生中漫长痛苦的开始。
为什么我这么年轻的人都能得奖?
为什么是我这样的民企员工而不是专业的研究人员?
为什么我这种非化学专业的人能拿化学奖?
在我心目当中,诺贝尔奖是专业研究人员们经过长年累月的钻研后才能拿的奖。
我并没有过这样的经历,所以完全无法拿出高兴的底气。
我从不觉得自己做了什么能匹配得上诺贝尔奖的事情。

自获奖以来,
田中一直对自己的新身份怀抱着矛盾的心情:

“我只是因为专业知识缺乏,
把不该混合的东西混在了一起,
就我这种也算是诺贝尔奖得主吗?”

除了这种“冒名顶替综合症”,
诺贝尔奖还为田中的生活制造了一个更为现实的困境:

“拿奖后人们对我的期待太大,
大到即便我想尽办法去回应也做不到......

那这16年间,田中究竟干了些什么?

他依然留在岛津制作所搞研究。
得了诺贝尔奖后,他有了自己的研究所,可以自由地选择研究方向。


每天,田中就在研究所内一间布置简单的房间里办公。


每天,也依然穿着岛津制作所的工作服。


不过,他回到了医学研究的初心。
他想要研究出一种可以提升血液检查敏感度的技术,这样就能更容易发现疾病。

岛津制作所对于田中的项目非常支持,
承诺每年提供一亿日元的资金。

不过,这十几年间,
田中始终承受着巨大的压力。

研究的头几年,
由于迟迟没有突破,
田中出席演讲会时还会遭受揶揄和质疑。

现在,他终于从研究所出山,
再度出现在了镜头前。

头发已经花白,
但神情明显要比16年前从容自信多了。


去年2月份,权威科技期刊《自然》上刊载了田中团队攻坚多年后的突破:

他们能够从仅仅几滴血中提前30年检测出阿兹海默症的征兆。

16年前因获得诺奖而挣扎了一路的田中,
在今天,终于与自己和解了。


从很小的时候开始,
每当在生活中遇到难以克服的困难,
田中都喜欢爬到老家附近一座山的顶端,
用壮丽的景色慰藉自己。

拍摄的当天,
田中带领着摄制组久违地造访了那座山。

正爬到山顶的时候,
田中注意到此前灰蒙蒙的天空突然转晴了。



图片来自网络,版权归原作者所有
参考资料:
https://tech.nikkeibp.co.jp/dm/atcl/feature/15/050200094/032600015/?ST=health
https://www6.nhk.or.jp/special/detail/index.html?aid=20190217
编辑整理:阵内鹦鹉