腸道微生物是人體代謝的重要參與者，其生化活動和代謝産物與人體健康有着密不可分的聯系。作為人體最龐大、最複雜的微生态系統，腸道微生物本身及其代謝産物不僅能調節人體健康，更在膳食和宿主之間起到了重要的橋梁作用。正如諾貝爾獎獲得者Joshua Lederberg曾指出的，人體與人體共生微生物構成了超級生物體(superorganism)。
随着人們對腸道微生物作用的探索，不斷有證據表明微生物組失衡會引發體細胞組織的生理反應。不過，在對于微生物組擾動生殖系統方面，學術界此前知之甚少。
2024年5月1日，歐洲分子生物學實驗室（EMBL）的Jamie A.Hackett等人在《Nature》上發表一篇名為《Paternal microbiome perturbations impact offspring fitness》的研究論文，表明腸道微生物群是小鼠父系孕前環境和代際健康之間的關鍵界面。
準父親腸道微生物群的擾動會增加其後代出現低出生體重、嚴重生長受限和過早死亡的可能性。這種效應與雄性生殖系統中誘導的生态失調的動态反應有關，包括瘦素信号受損、睾丸代謝物譜改變和精子中小RNA有效載荷的重新定位。研究中定義了一個可調節的“腸道-生殖系軸”，它對環境暴露非常敏感，并通過影響胎盤功能來改變後代的健康。（圖1）
研究人員使用非吸收性抗生素(nABX)在等基因雄性小鼠中建立了腸道微生物群失調的誘導模型。應用16S核糖體RNA測序顯示，低劑量nABX治療6周導緻腸道微生物群多樣性、豐度和豐富度可逆性降低，但這種生态失調對雄性體重、生育能力或生存沒有顯著影響，并且在nABX停藥8周後可逐漸恢複。（圖2）
一、父系菌群失調對後代影響
與對照組父親的後代相比，nABX父親的後代新生兒（F1）出生體重顯著降低，且平均體重在整個發育過程中也處于降低狀态。另外，在F1中還觀察到一種主要但隻有部分基因外顯的産後表型，表現為嚴重生長抑制（SGR），而對照組後代中沒有這種表型。（圖3）
以及，相對于對照組的後代，經 nABX 處理的 F1 後代的出生後死亡率顯著增加。這主要發生在 SGR 後代中，表明死亡率升高與 F1 對生長受限的易感性增加有關。
對 nABX 雄性所生 SGR 後代進行轉錄組分析，提示大腦和棕色脂肪組織（BAT）中的差異表達基因（DEGs）優先富集于與代謝過程有關的反應組通路。說明父代菌群失調對後代生長、代謝網絡和存活存在代際影響，并且這些表型是機率性反應而非确定性反應，是以表現為後代健康風險的改變。
接着，研究人員用幾種擾亂父代微生物群的并行政策進行探究，結果與nABX相似。就此，準父親腸道微生物群的多種不同擾動會增加後代出現發育障礙和過早死亡的風險，這支援了父親菌群失調與後代健康之間的直接聯系。（圖4）
二、父系效應的可逆性
研究人員探究了父親從腸道失調中恢複是否可以挽救F1的表型。nABX停藥後恢複期的父親依舊對F1後代産生影響，而當體内微生物組恢複，F1新生兒體重表型同時恢複并正常發育生長。
轉錄組學顯示，nABX父親所生的SGR後代與恢複期父親所生的獨立後代，表現出高度相似的基因本體富集，暗示了共同的潛在病因。此外，進一步對SGR後代檢測，沒有觀察到傳輸的F2效應。這些資料表明，由生态失調的父親引起的F1表型不是由于基因遺傳而産生的差異，并且不會在第一代之後傳播。（圖5）
三、代際傳遞的方式
為了确認代際遺傳的方式，研究人員首先考慮是否腸道微生物組本身存在父系傳播。研究表明改變的父親微生物群不會傳播給母親和後代，後代表型與其父親的微生物群相關，卻不是與其微生物群的本身相關。
一系列實驗讓研究人員确定，父代微生物群的改變或母代的間接反應都不是出現F1效應的基礎。是以，研究人員開始進行體外受精(IVF)，以探究F1表型是否特異性地通過父系配子傳播。随後發現，父本誘導的F1表型在獨立的子宮遺傳背景下出現，主要通過配子和共質分子傳播。
四、腸道-生殖系軸
通過種系傳遞的現象促使研究人員将目光聚焦在急性腸道微生物群失調誘發的父親生殖系統的生理變化。觀察到nABX雄性動物的睾丸品質明顯小于對照組，并發生結構性變化，表明睾丸生理上受到腸道微生物群失調的影響。
分子水準上，觀察到nABX期和恢複期與對照睾丸之間有明顯的分離，而菌群完全恢複的睾丸代謝組圖譜沒有差別，這表明代謝物的動态恢複與腸道微生物群的恢複和F1傳代效應的逆轉同時發生。
研究人員還在菌群失調雄性動物的睾丸中發現了 68 種顯著的差異豐度代謝物，這些物質都與生殖細胞功能有關。作者進一步研究了菌群失調雄性睾丸的轉錄組概況，觀察到大體和單細胞水準上有限的表達變化。基因組富集表明，甘油磷脂和類固醇生成相關基因優先出現失調，這與代謝組學特征的改變一緻。最敏感的基因是瘦素，該基因編碼的激素主要由脂肪細胞産生，但也由生殖細胞産生，在能量平衡和生殖中起關鍵作用。
累積的證據表明，腸道微生物群擾動會導緻睾丸環境發生重大變化，包括代謝物譜、生理學和激素的改變。這表明哺乳動物體記憶體在一個腸道-生殖系軸，具有重要的平衡功能。父親對 nABX 的反應之一是瘦素的強烈失調。資料表明，瘦素受到誘導性微生物組失調的系統性調控，受孕前父系瘦素的直接擾動會對子代基因表達程式産生代際影響，這表明瘦素是腸道-胚系軸的重要信号成分。（圖6）
接下來，作者試圖通過尋找精子中的分子變化來了解腸道-生殖系軸對成熟配子的影響。總體而言，雖然 DNA 甲基化相對穩定，但精子中的小 RNA 組成卻在 nABX 介導的菌群失調中發生了改變。考慮到代謝物和激素譜的改變，這表明大分子組成的複合變化會傳遞給後代。
五、父系菌群失調影響胎盤
研究人員從胚胎缺陷的最初來源入手，探究精子影響後代表型的機制。
胚胎與對照組相比沒有DEGs，相比之下，胎盤轉錄組表現出強烈聚集，依賴于父本nABX機制。基因表達分析強調了與糖酵解代謝過程、催乳素和類固醇分子代謝以及胎盤發育的幾個調節因子（例如基因Hand1和Syna）相關的基因表達的改變，這與胎盤個體發育受損相關。
為了進一步研究菌群失調父親誘發胎盤功能不全的可能性，研究人員檢查了胎盤結構。發現來自nABX父親的胎盤迷宮區顯著減少、血管化明顯受損以及胎盤梗死增加。胎盤生長因子(PLGF)激素水準是人類先兆子痫的主要診斷名額，菌群誘導的不良雄性後代在胎盤中PLGF顯著降低，sFLT/PLGF比例顯著升高。（圖7）
綜上，累積的證據表明，環境引起的準父親腸道微生物群擾動會導緻相關的生殖影響。說明存在調節性腸道-生殖系軸，當受到幹擾時，它可以傳播以影響後代患病風險，在部分機制上影響即将到來的胎盤功能。
是以，腸道微生物群可以作為一個主要界面，其中不同的環境輸入，如抗生素制度或飲食，可以直接或間接地彙聚并向雄性生殖細胞發出信号，最終對後代産生影響。
此外，在受孕前恢複父系腸道微生物群可以挽救F1表型，說明腸道微生物對生殖的影響是可補救的。鑒于生活方式和抗生素實踐的盛行，這可能被證明是減輕不良妊娠結局的一個感興趣的領域。
研究人員提到，該項實驗從直接的分子反應到代際疾病易感性方面，解答了關于環境因素如何跨尺度改變複雜生物系統的問題，并強調了了解這一問題的重要性。
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07336-w