Cell解析饮食对基因表达的影响

生物通报道：每天我们的细胞都在摄取食物中的营养，并将它们转化为生命所需的基本物质。然而，人们一直难以确切指出某一种营养或维生素对基因表达和生理机能的影响。麻省大学医学院UMMS的科学家们开发了一个新的模式系统，可以帮助研究者们解决这个问题。这项研究发表在本期的Cell杂志上，UMMS的研究人员利用这一系统向人们展示，细菌生产的维生素B12改变了线虫的基因表达、发育和生育情况。线虫C. elegans是实验室中常用的透明模式生物。

“在哺乳动物中，微量元素由食物和肠道菌群共同提供，”文章的资深作者，UMMS的A.J. Marian Walhout教授说。“我们开发的系统可以通过对捕食者（线虫）及其猎物（细菌）的系统性研究，帮助人们理解营养物质、基因表达和生理机能之间的复杂相互作用。在此基础上我们能够开始解答一类重要的问题，即饮食对机体功能的具体影响。”

这项研究的关键在于，对线虫及其食用的两种细菌（丛毛单胞菌Comamonas和大肠杆菌E. coli）进行遗传学筛查。在去年发表的文章中Walhout和同事指出，只食用丛毛单胞菌和只食用大肠杆菌的线虫之间，存在基因表达的显著差异。而这些遗传学差异造成了深远的生理学影响。研究显示，与食用大肠杆菌的线虫相比，食用丛毛单胞菌的线虫虽然发育得更快，但繁殖能力较差。

研究人员通过深入分析找到了引起上述差异的一系列基因，丛毛单胞菌拥有这些基因，但大肠杆菌缺乏这些基因 。进一步研究显示，这些基因在丛毛单胞菌中负责生产维生素B12，这是这种微量元素造成了两种线虫之间的遗传学和生理学差异。

Walhout发现，维生素B12在线虫中履行着两种重要职能。它能通过methionine/SAM循环帮助调控发育，这一过程是新细胞合成细胞膜所必需的。此外，维生素B12还能够缓解一种短链脂肪酸（丙酸）的毒性累积，这种物质增多会改变基因表达对细胞产生危害。

“食用大肠杆菌的C. elegans实际上缺乏维生素B12，这样的线虫只表现出其自然状态的一面，” Walhout说。“多年以来，实验室中一直使用大肠杆菌作为线虫的标准食物。我们认为给线虫提供富含维生素B12的食物，可以帮助人们研究线虫的其他特性，例如行为、交配和运动特性。”

研究人员指出，这一系统也能够用来研究其他微量元素造成的遗传学和生理学改变。只要找对方法，未来甚至可以预测人类在摄取不同食物时，食物、基因表达和生理机能之间的具体相互作用，为高胆固醇、心脏病、糖尿病和肥胖症等多种疾病提供重要信息。此外，这一系统还可以帮助人们在肠道菌群中，发掘不同细菌的具体作用。

“一个简单的转基因线虫就可以成为有力工具，帮助人们解析营养物质、基因表达和生理机能之间的复杂关系，”文章的第一作者Emma Watson说。

 

生物通编辑 ：叶予

生物通推荐原文摘要：

Interspecies Systems Biology Uncovers Metabolites Affecting C. elegans Gene Expression and Life History Traits

Diet greatly influences gene expression and physiology. In mammals, elucidating the effects and mechanisms of individual nutrients is challenging due to the complexity of both the animal and its diet. Here, we used an interspecies systems biology approach with Caenorhabditis elegans and two of its bacterial diets, Escherichia coli and Comamonas aquatica, to identify metabolites that affect the animals gene expression and physiology. We identify vitamin B12 as the major dilutable metabolite provided by Comamonas aq. that regulates gene expression, accelerates development, and reduces fertility but does not affect lifespan. We find that vitamin B12 has a dual role in the animal: it affects development and fertility via the methionine/S-Adenosylmethionine (SAM) cycle and breaks down the short-chain fatty acid propionic acid, preventing its toxic buildup. Our interspecies systems biology approach provides a paradigm for understanding complex interactions between diet and physiology.