编辑推荐：
这篇研究发现微生物群释放的挥发性促生长因子（VSFs），可激活气道 - 肠道 - 脑轴，促进果蝇生长。
# 微生物群释放的挥发性促生长因子促进果蝇生长的机制研究
在生命科学领域，微生物群与动物宿主之间的相互作用一直是研究的热点。越来越多的研究表明，微生物群对动物的生长、发育、代谢和免疫等方面有着深远的影响。然而，微生物群促进动物生长的具体机制却一直是个谜。本文围绕微生物群释放的挥发性促生长因子（Volatile Somatotrophic Factors，VSFs）展开研究，揭示了其促进果蝇生长的全新机制。
一、研究背景
微生物群与动物宿主共同进化，影响宿主生理的多个方面，如免疫、发育、代谢和行为等。果蝇 - 微生物群相互作用模型因具备先进的遗传工具，成为研究微生物群与宿主关系的理想模型。此前研究发现，果蝇肠道微生物群中的醋杆菌（Acetobacter pomorum，AP）和植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum，LP）在蛋白质营养不良条件下，可通过激活胰岛素和胰岛素样生长因子（Insulin - like Growth Factor，IGF）信号，促进宿主生长发育。但关于哪些细菌代谢途径及代谢物能诱导宿主系统性生长、宿主如何感知这些信号以及如何协调器官间相互作用以实现系统性生长等问题，仍有待解答。
二、研究结果
（一）微生物群释放的气味以非嗅觉依赖方式促进宿主生长
研究人员利用能诱导果蝇和啮齿动物生长的 LPWJL菌株，通过无菌果蝇模型研究微生物群来源的生长刺激因子。意外发现，即使在没有肠道定植的情况下，吸入 LPWJL挥发物也能促进无菌果蝇生长，尽管效果不如与 LPWJL结合时明显。为确定生长增加并非源于幼虫进食行为改变，研究人员对比了暴露和未暴露于 VSF 的幼虫进食量，发现在幼虫大小相似阶段，吸入 LPWJL挥发物不影响其进食行为。此外，研究人员通过对嗅觉受体共受体（Olfactory Receptor Coreceptor，ORCO）基因敲除（ORCO?/?）的果蝇进行实验，发现 LPWJL释放的气味仍能支持其生长，表明宿主生长诱导独立于嗅觉，即不依赖嗅觉神经元（Olfactory Receptor Neurons，ORN）对气味的感知。
（二）OR42b 在肠道表达且其表达受 LPWJL释放的气味诱导
虽然传统观点认为嗅觉受体（Olfactory Receptors，ORs）仅在嗅觉器官表达，但近期研究发现其在果蝇和哺乳动物的非嗅觉器官中也存在。基于此，研究人员推测微生物群释放 VSFs，肠细胞通过肠道表达的 OR 感知这些因子。在幼虫肠道中至少有 12 种 ORs 表达，研究人员监测这些 ORs 在有无 LPWJL挥发物存在时的表达情况，发现 OR42b 在暴露于 LPWJL挥发物后显著上调。利用携带 OR42b 启动子与 Gal4 融合的报告果蝇，进一步发现 OR42b 主要在吸入 LPWJL挥发物后的前中肠肠细胞中表达，同时也在胃和中肠的边界区域以及后中肠的部分肠内分泌细胞（Enteroendocrine Cells，EECs）中检测到表达。
（三）肠细胞 OR42b 作为 VSF 受体促进生长且不依赖 ORCO
OR42b 是果蝇中高度保守的 OR，其已知配体包括与果蝇食物来源相关的多种化学物质，如脂肪族酯和 3 - 羟基 - 2 - 丁酮相关代谢物。研究发现，吸入这些物质中的一种即可诱导幼虫生长，表明它们可能作为 VSFs。在昆虫中，挥发性化合物通常由特定 OR 与 ORCO 形成异源四聚体来感知，但 OR42b 似乎可独立于 ORCO 发挥作用。研究人员通过荧光尺寸排阻色谱和透射电子显微镜证实，GFP 标记的 OR42b 蛋白可形成四聚体。利用结构预测发现 OR42b 存在配体结合口袋，并确定了 Tyr156、Ser158和 Ser159为潜在关键结合残基。构建配体结合突变体（OR42bDN）并在肠细胞中过表达，可消除 VSF 诱导的幼虫生长，且在 OR42bDN敲入动物中，VSF 诱导的幼虫生长也被消除，而ORCO?/?动物中则不受影响，表明肠道中 VSF 感知促进生长依赖 OR42b 但不依赖 ORCO。
（四）LPWJL挥发物诱导 Btl 信号激活促进肠道相关气管分支形成
在解剖OR42b - Gal4?>?UAS - GFP果蝇肠道时，发现 OR42b 表达的前中肠肠细胞与同样表达 OR42b 的肠道相关气管接触。气管作为呼吸器官，其上皮细胞表达 Breathless（Btl，哺乳动物 FGF 受体的同源物），Btl 信号激活可诱导气管分支形成，且激活后会诱导Btl表达形成正反馈回路。研究发现，LPWJL挥发物可强烈激活气管 Btl 信号，表现为Btl表达上调和气管分支形成增加，而在无 LPWJL挥发物时，仅观察到基础Btl表达和较少的分支形成。为排除幼虫大小对气管 Btl 信号激活的影响，研究人员对比了大小相似的 VSF 暴露和未暴露幼虫，发现 VSF 暴露的幼虫仍具有更高的气管分支形成，表明 Btl 激活确实归因于 LPWJL挥发物暴露。
（五）LPWJL挥发物通过 Bnl/Btl 信号激活气道 - 肠道轴以调节氧气介导的生长
研究人员进一步探究 LPWJL挥发物诱导气管 Btl 信号激活的分子机制。Branchless（Bnl，哺乳动物 FGF 的同源物）是 Btl 的已知配体，可激活其下游信号。研究发现，在无 LPWJL挥发物时，Bnl在铜区域肠细胞有强基础表达，在后部中肠区域有弱基础表达，在前部中肠区域几乎无表达；而吸入 LPWJL后，Bnlanterior表达显著诱导，Bnlcopper和 Bnlposterior表达强度不变。双标记Bnl和Btl表达证实，暴露于 LPWJL挥发物后，肠细胞中Bnl表达和气管细胞中Btl表达均增强。下调肠细胞中Bnl表达会减少基础和 LPWJL诱导的气管分支形成，且会消除 LPWJL挥发物的促生长作用。此外，暴露于 LPWJL挥发物后，肠道氧浓度和肠道大小增加，表明 LPWJL挥发物通过 Bnl/Btl 信号激活气道 - 肠道轴，调节器官氧气供应，促进身体生长。
（六）LPWJL挥发物促进大脑分泌 DILP2 以控制系统性生长
此前研究表明气管分支与胰岛素 / IGF 信号通路密切相关，该通路调节宿主发育速率、器官和身体大小。果蝇胰岛素样肽（Drosophila Insulin - like Peptides，DILPs）如 DILP2、DILP3 和 DILP5 是大脑胰岛素 / IGF 产生细胞（Insulin/IGF - producing Cells，IPCs）分泌的主要 DILPs。研究人员通过构建双表位标记的 DILP2、DILP3 和 DILP5 敲入动物，利用酶联免疫吸附测定发现 DILP2 是幼虫循环中主要的 DILP 形式，且暴露于 LPWJL挥发物后，DILP2 循环水平显著增加，而 DILP3 和 DILP5 无明显变化。IPCs 特异性敲低 DILP2 可消除 LPWJL挥发物诱导的动物生长，表明 LPWJL挥发物促进 DILP2 从 IPCs 释放到血淋巴中，以控制系统性生长。
（七）LPWJL挥发物诱导肠内分泌 AstA 和 CCHA2 肽激素表达促进大脑 DILP2 分泌
研究人员接下来探究 LPWJL挥发物与大脑 IPCs 进行长距离通信的分子机制。基于肠道细胞可通过肠道激素与大脑通信的前期发现，研究人员监测 LPWJL挥发物改变的肠道激素表达，发现两种肠道肽激素，即 Allatostatin - A（AstA）和 CCHAmide - 2（CCHA2），在 LPWJL挥发物作用下，在部分 EECs 中显著上调。通过对AstA?/?和CCHA2?/?动物的研究发现，AstA 是 LPWJL挥发物诱导 CCHA2 表达所必需的，且OR42b特异性表达于 AstA+ EECs 中，AstA 受体 - 2（AstAR2）与 CCHA2 共定位，AstAR2 也是 VSF 诱导CCHA2表达所必需的。进一步研究发现，敲低肠道中AstA或CCHA2会消除 LPWJL挥发物诱导的 DILP2 分泌，且突变其中一种激素会消除 LPWJL挥发物诱导的身体生长，表明 LPWJL挥发物诱导的肠道 AstA 和 CCHA2 激素是大脑 IPCs 分泌 DILP2 所必需的，从而形成促生长的肠道 - 大脑轴。
（八）LPWJL挥发物使 Hippo 通路失活导致 Yorkie 核定位
研究人员对 OR42b 介导 VSF 响应基因表达的细胞内信号通路进行了研究。由于 Yorkie 作为 Hippo 通路的转录共激活因子，对Bnl表达至关重要，因此研究人员分析 Hippo 通路是否在 OR42b 下游发挥作用。在无生长信号时，Hippo 通路持续激活，Merlin 与 Kibra 和 Expanded 形成膜相关复合物，激活下游激酶 Hippo 和 Warts，磷酸化 Yorkie 使其保持在细胞质中。研究人员构建 OR42b - FLAG 敲入动物，结合 Merlin - YFP 果蝇，发现 LPWJL挥发物处理后，Merlin 和 OR42b 迅速从膜上分散。由于 Merlin 复合物的膜定位对 Hippo 通路激活至关重要，因此推测 VSF 诱导的膜定位 Merlin 复合物分散使 Hippo 通路失活，导致 Yorkie 核定位。实验结果显示，暴露于 LPWJL挥发物后，细胞质中的 Yorkie 迅速转移到细胞核中，表明 VSFs 作为生长因子使 Hippo 通路失活，导致 Yorkie 核定位。
（九）OR42b 对 Hippo 通路的调节至关重要
与 VSF 诱导的膜定位 OR42b 分散不同，LPWJL挥发物不影响 OR42bDN的膜定位，其呈组成型膜定位。OR42bDN在肠道细胞中过表达会导致 Merlin 复合物组成型膜定位，阻止 Yorkie 核转位；而敲低 OR42b 会使 Merlin 复合物膜定位消失，Yorkie 呈组成型核定位。这表明 OR42b 的膜定位状态控制着 Merlin 复合物的定位和 Hippo 通路的活性。在 Yorkie 敲低动物中，LPWJL挥发物无法诱导 VSF 响应基因表达；而在表达活性形式 Yorkie 的动物中，即使没有 LPWJL挥发物，这些基因也有高水平表达。在 OR42b 敲除（OR42b?/?）动物中，观察到Btl和AstA的组成型激活，动物生长增强，重新引入 OR42b 后，这些表型恢复正常，且敲除OR42b和AstA的双突变动物中，生长促进作用消失。这些结果表明，OR42b 对 Hippo/Yorkie 通路调节至关重要，LPWJL释放的 VSFs 诱导 OR42b 分散，进而使 Hippo 通路失活，导致 Yorkie 激活，促进生长相关基因表达。
（十）LPWJL释放的 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇激活气道 - 肠道 - 脑轴促进动物生长
研究人员分析了不同 OR42b 配体是否由 LPWJL释放，发现代谢途径中丙酮酸可转化为 3 - 羟基 - 2 - 丁酮，进而转化为双乙酰和 2,3 - 丁二醇的三种异构体。在这三种异构体中，只有 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇能诱导气管细胞激活和宿主生长促进。气相色谱 - 质谱（Gas Chromatography - Mass Spectrometry，GC - MS）分析表明 LPWJL确实释放 3 - 羟基 - 2 - 丁酮、双乙酰和 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇，且 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇是主要的 VSF。用 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇处理可触发 OR42b 表达细胞（如气管细胞和 AstA+ EECs）中的钙动员，而其他异构体则无此作用。为确定 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇对宿主生长的必要性，研究人员构建了不能产生 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇的突变细菌 LPWJLΔALS。GC - MS 分析证实该突变体失去了产生相关配体的能力，且其挥发物无法激活气道 - 肠道 - 脑轴，导致生长促进活性降低。而重新引入 ALS 基因的 LPWJLΔALS_ALS 菌株挥发物或与 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇共同处理，可恢复这些功能，表明共生 LPWJL释放的 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇作为主要 VSF，激活 OR42b 依赖的气道 - 肠道 - 脑轴，维持宿主发育稳态。
三、研究讨论
本研究发现了微生物群释放的气味在动物生长中的非嗅觉依赖作用，揭示了一种全新的宿主与微生物之间通过空气传播相互作用的模式。通常认为 ORCO 对 ORs 功能不可或缺，但本研究表明 OR42b 可独立于 ORCO 发挥作用，其可能形成同源四聚体，且这种非神经元 OR 功能可能在进化上更为原始。(2R,3R)-2,3 - 丁二醇不仅是果蝇的生长促进因子，还可能作为吸引剂，增加细菌在果蝇肠道定植的机会，体现了宿主与微生物之间的空气传播互利共生关系。
在果蝇中，LP 菌株通过至少两种独立机制促进宿主生长，即 dlt 操纵子介导的磷壁酸 D - 丙氨酸酯化和 ALS 介导的 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇产生。而醋杆菌虽不能合成 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇，但在实验吸入条件下仍能支持幼虫生长，表明可能存在其他 VSFs 参与宿主生长促进，有待进一步研究。
有趣的是，(2R,3R)-2,3 - 丁二醇也由植物根际微生物群释放，可促进植物生长和提高作物产量。在植物系统中，它还参与触发系统抗性和增强细菌在根际的定植。在果蝇系统中，探究 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇是否参与细菌肠道定植或调节宿主先天免疫，将为理解宿主 - 微生物相互作用提供新的视角。
此外，LPWJL介导的营养不良宿主生长促进作用在无脊椎动物和脊椎动物中似乎是保守的。在哺乳动物模型中，LPWJL的细胞壁成分可激活 NOD2 受体，促进产后生长。本研究发现 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇作为生长促进因子，有助于深入理解微生物群在缓解宿主营养不良（包括人类）中的作用。进一步研究哺乳动物肠道中对 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇响应的肠<>WJL介导的营养不良宿主生长促进作用在无脊椎动物和脊椎动物中似乎是保守的。在哺乳动物模型中，LPWJL的细胞壁成分可激活 NOD2 受体，促进产后生长。本研究发现 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇作为生长促进因子，有助于深入理解微生物群在缓解宿主营养不良（包括人类）中的作用。进一步研究哺乳动物肠道中对 (2R,3R)-2,3 - 丁二醇响应的肠嗜铬细胞，可能为 LPWJL与宿主的相互作用提供新的见解。
