腸道微生物組有助於維持宿主代謝節律

晝夜節律系統在許多生物體中廣泛存在。而最近的研究表明腸道微生物組在組成和功能上具有節律性振蕩的特點。然而，尚不清楚微生物群和宿主之間晝夜節律是如何關聯的。Thaiss等人在小鼠中發現腸道微生物的生物地理學和代謝活動晝夜節律的變化可以影響宿主腸道和肝臟的生理功能。
為闡明腸道微生物晝夜性節律變化，作者對小鼠進行了研究。讓小鼠暴露於黑暗中12個小時，然後暴露在光線中12個小時，循環多次。結果發現在結腸細菌生物地理學方面出現實質性變化，特別是在光照期間上皮粘液層中的細菌數量減少，並且在黑暗期間具有最高的數量。一些物種（如典型的粘液性細菌Mucispirillum schaedleri）在上皮粘附方面出現較大的變化。
此外，宏基因組測序顯示那些涉及到趨化性、鞭毛運動和粘液降解的代謝途徑也具有晝夜振蕩的特點。細菌生物地理學中的這些變化受到進食模式和上皮屏障功能的影響，但不受宿主的分子時鐘的影響。
為了評估微生物群振蕩對宿主的影響，作者研究了宿主轉錄組和表觀基因組的節律性。使用抗生素和無菌處理的小鼠在宿主腸道中的轉錄組和表觀基因組的分布發生顯著變化。出乎意料的是，在微生物耗盡之後，參與代謝平衡的基因和通路重新獲得節律性，因此作者提出以下假設：宿主重新獲得振蕩功能以彌補腸道微生物組的缺失。可以通過克隆無菌小鼠進行驗證。小鼠含有來自小鼠和大鼠的段絲狀細菌體建群來證實。其中，前者表現出鼠腸上皮的粘附性獲得強化。只有表現出節律性上皮組織粘附的細菌才能夠影響轉錄宿主振蕩的編程。
此外，轉錄節律不僅在腸內表現局部差異，通過與未經治療的對照組比較相，肝細胞在抗生素治療和無菌小鼠中也表現出不同的晝夜轉錄組的變化。作者提出以下假設：即這可能是由於腸道微生物組的代謝產物節律變化的結果。事實上，很多類型的代謝物，包括胺基酸和多胺，在腸和血清中均出現晝夜節律性振蕩，並且這些振蕩在使用抗生素治療之後或是在無菌小鼠中被消除。顯著的情況是，在喂食多胺缺乏的食物的小鼠中，聚合物胺和胺基酸不再表現出振蕩丰度，同時肝臟晝夜轉錄組被重新編程以進行補償。這意味著腸道微生物群有助於維持宿主的代謝組節律。
總之，這項研究可以讓我們深入地了解到腸道微生物組在晝夜生理學以及外周器官轉錄活性調節中的作用，可以為治療與晝夜節律時鐘功能障礙相關的人類疾病提供新的思路。