描绘我们体内复杂的微生物世界

概览

来自加州大学旧金山分校（UCSF）的 Peter J. Turnbaugh 博士与我渊源颇深。我的职业生涯大部分时间都在湾区的科技公司工作，也曾多次以志愿者身份为 UCSF 儿童医院提供公益服务。

Turnbaugh 博士是我们今天演讲的第一位首席研究员。他因研究成年人体内数万亿微生物的代谢活动而闻名。作为一位学术高产的专家，他发表了 150 多篇论文，引用量高达 10 万次左右。他的专业知识定能帮助大家提升科学视觉传达的水平。据我所知，他在校内被评为前五名的研究员之一，考虑到 UCSF 汇聚了众多杰出人才，这确实是一项了不起的成就。我非常期待他在接下来的环节中分享关于制作更优质图表、图形摘要和封面艺术的见解。那么，接下来就把时间交给 Turnbaugh 博士。

大家好，非常感谢。听了刚才的介绍，我深感责任重大。很高兴能与大家分享我们团队在人体内外复杂微生物世界方面的研究工作。我将尝试重点介绍我们如何利用 BioRender 等工具进行科学绘图。在这样一个汇聚了众多优秀艺术家的会议上发言，我感到有些诚惶诚恐，希望大家对我展示的示例多包涵。比如幻灯片上的这张封面图。如果像之前的演讲者那样列个大纲，我将分享我是如何爱上微生物组研究并进入这一领域的，随后会介绍我们实验室近期的一些研究亮点，并探讨微生物学研究在沟通交流方面所面临的挑战与案例。

与上一位演讲者不同，我小时候并没有什么决定性时刻让我立志成为一名微生物学家，当时我对自己想做什么也比较迷茫。我在西北部的一所文理学院读书，非常喜欢那种能够尝试各种不同事物的自由，包括科学和艺术。校园里随处可见各种奇特且富有灵感的雕塑，比如那座“鱼吸柠檬”的雕塑，还有一匹看起来骨瘦嶙峋的怪马。同时，我们还能接触到附近蓝山（Blue Mountains）等自然美景。这些经历为我如今职业生涯中所需的科学写作和插图能力打下了坚实的基础。

从惠特曼学院毕业后，我回到了俄勒冈州。坐在海滩上思考人生时，我读到了很多关于 Craig Venter 的文章。他因推广“宏基因组学”这一概念而闻名，当时他正航行于世界各地，采集海水并对海洋表面的微生物群落进行测序。这项全球海洋调查引起了媒体的广泛关注，也真正激发了我对微生物群落的思考。遗憾的是，申请研究生时，我没能进入旧金山或洛杉矶的学校，而是去了密苏里州圣路易斯的华盛顿大学，那是一所非常棒的机构。这迫使我将注意力转向医学领域，我很幸运地遇到了 Jeffrey Gordon。他是一位训练有素的胃肠病学家和医学博士，常被誉为“微生物组学之父”。在过去几十年里，他极大地推动了这一科学领域的发展。

我很幸运，在我加入 Gordon 实验室时，Ruth Ley 已经在那里了。她是一位在微生物生态学方面有着深厚造诣的博士后研究员。所以我常把自己看作是 Jeff 和 Ruth 的“学术后代”。我认为，这种背景让我既在肠道研究的医学层面，又在生态学理论层面都接受了非常扎实的训练。

正如大家所知，微生物组研究领域在过去 15 到 20 年间经历了爆发式增长。最早使用宏基因组测序（即提取样本中的所有 DNA 并对整个群落进行测序）的研究发表于 2006 年。如果查看相关出版物，也能看到类似的趋势。这只是一个关于“微生物组”的谷歌搜索趋势，可以看到在 2006 年时，几乎没人讨论这个话题，而此后的关注度一直在持续上升。

我们最先感兴趣的领域之一是饮食与肠道内复杂微生物群落之间的关系。我参与的第一个项目由 Ruth 领导，她对哺乳动物进化过程中的食肉动物、食草动物和杂食动物的肠道微生物群落进行了比较。我们发现，可以根据哺乳动物的饮食预测其肠道内的微生物类型，而人类看起来和其他杂食动物并无二致。我们进一步证明，改变动物的饮食可以迅速改变其肠道微生物群落。这在实验室小鼠身上一天之内就能实现。如果给小鼠喂食不同的饮食，可以观察到微生物群落发生非常迅速且显著的变化。后来我们发现，野生小鼠也是如此。我们追踪了小鼠肠道微生物组随时间的变化，发现其季节性模式与小鼠的食物摄入相吻合。当然，正如我提到的，人类也是哺乳动物，所以当我们改变饮食时，肠道内的微生物也会发生相应的变化。那么现在的问题是，这些饮食诱导的微生物组变化究竟有何影响？我个人非常着迷的一个领域是营养学，即思考我们每天选择食物时所看到的营养标签上的成分。以这个例子为例，热量是 230 卡路里。很多人都知道热量很重要，但可能并不了解这些数字的来源。卡路里的定义是将一公斤水升高一摄氏度所需的热量。这是一个化学概念，源于一种叫做“量热计”的设备测量结果，它本质上是一个密封装置，放入食物并充入氧气后点燃，然后测量装置周围水桶中水的温度变化。这是一种非常有用的抽象思维方式，但它显然忽略了人体内发生的所有生理过程，特别是食物如何与微生物组相互作用。我们可以假设，肠道微生物的差异可能会影响我们从饮食中获取的能量。因此，对于某些人来说，那 230 卡路里的食物可能导致体重增加，而对另一些人来说，则可能导致体重减轻。

测试微生物组的差异是否会转化为哺乳动物宿主的差异，方法之一是使用所谓的“无菌小鼠”。在微生物组移植实验中，我们从因瘦素基因突变或高脂高糖饮食而肥胖的小鼠身上提取肠道微生物组，并将其移植到一组新的无菌小鼠体内。令人兴奋的是，接受了肥胖小鼠微生物组的受体小鼠，其体脂增加量是接受对照组微生物组小鼠的两倍。这表明，即使受体小鼠摄入的饮食完全相同，且进食量没有变化，它们也表现出了完全不同的表型或生理特征。这些研究发表后引起了轰动，但最让我兴奋的是，我们竟然出现在了《凯西》（Kathy）漫画里。这是漫画的第一格，我来为大家解读一下：凯西的朋友（我至今不知道她的名字）说：“肥胖基因让我超重。”凯西回答：“不，试过了，没用。”朋友又说：“压力荷尔蒙让我暴饮暴食。”凯西说：“哦，没试过，但我信。”然后朋友说：“我体内高效的肠道微生物让我长胖，而别人却能瘦。再见，奇迹减肥法；你好，奇迹借口。这次我们终于找到了一个能坚持下去的理由。”虽然得到《凯西》漫画的认可让我们很兴奋，但科学界内部的争论仍在继续。尽管研究建议已取得很大进展，但我们当时确实缺乏大量关于人类机制的数据。去年，我们与临床合作团队共同发表了一篇令人兴奋的论文，研究了口服万古霉素和限制饮食对人类受试者肠道微生物组及营养吸收的影响。令人兴奋的是，我们发现用万古霉素干扰微生物组，会导致从饮食中摄取的卡路里量出现可测量的差异。这与小鼠实验得出的结论非常吻合。为了说明我的研究背景以及我们为何对微生物组感到兴奋，我想分享一下我们在 UCSF 所做的一些近期研究亮点。建立自己的实验室后，我决定将研究重点转向疾病治疗过程中的变化。我认为，微生物组领域的大多数工作与经典的细菌或病毒致病性研究非常相似。人们都在寻找导致疾病的单一微生物或微生物群，但我们认为，重要的是要思考当人患病后，肠道微生物组的差异如何改变他们对药物、饮食或手术干预的反应。我们现在已经研究了多种用于治疗肥胖症和其他代谢疾病的常见干预措施。去年我们发表了一篇关于生酮饮食的论文，这是一种极低碳水化合物、高脂肪的饮食，已被用于许多不同的疾病领域。我们观察了微生物组在生食与熟食、胃旁路手术以及极低热量液体饮食（即医学监督下的禁食）干预下的差异。在每一项干预措施中，我们都描述了肠道微生物群落的差异，这些差异进而对宿主产生了重要影响。我们非常兴奋能超越饮食，去思考我们每天摄入的其他更奇特的化合物。我们实验室以及许多其他实验室的研究发现，数百种用于治疗疾病的药物可以通过肠道细菌的代谢进行修饰。让我们感到非常兴奋的一点是，这涵盖了许多不同的疾病领域。所以，我们讨论的不仅仅是肠道内的疾病。

比如炎症性肠病，还包括癌症、心脏病或帕金森病等发生于其他器官的疾病，从基础科学的角度来看，这也非常有趣。这些化学物质差异巨大，因此推测它们会受到非常不同的酶的作用，甚至可能涉及许多不同的微生物。举一个我们深入研究的药物例子，我们与哈佛大学化学系的 Emily Balskus 实验室进行了大量合作。她是一位酶学家，对细菌代谢药物的详细机制非常感兴趣。Emily 实验室的一名学生对左旋多巴（Levodopa）产生了浓厚兴趣，这是一种用于治疗帕金森病的非常重要的药物。几十年来人们都知道，它在到达大脑这一预定目标之前，可能会被肠道细菌代谢。但我们并不完全了解这一过程是如何发生的。我们最终描述出，左旋多巴被一种叫做“粪肠球菌”（Enterococcus faecalis）的细菌转化为多巴胺，并确定了一种叫做“酪氨酸脱羧酶”（tyrosine decarboxylase）的酶是罪魁祸首。此外，我们还发现多巴胺随后会被转化为一种叫做“间酪胺”（m-tyramine）的化合物，该反应实际上是由第二种细菌“迟缓埃格特菌”（Eggerthella lenta）完成的，它是我们实验室的“宠物物种”，也是我们最喜欢的肠道微生物成员之一。有趣的是，我们发现了一种名为 ATH 的酶，它存在于所有 E. lenta 菌株中，但在某些菌株中，一个点突变使其失活。因此，只有携带功能性酶的特定菌株才能够代谢左旋多巴。这种药物的周围代谢在临床上确实是一个问题，因此已经开发出其他药物来阻断这一反应，例如卡比多巴（Carbidopa）。这是一种 FDA 批准的药物，常与左旋多巴一起给药以防止这种活性。它对哺乳动物酶非常有效，但不能抑制细菌酶，所以即使添加大量卡比多巴，细菌依然会代谢左旋多巴。相比之下，Emily 成功鉴定出一种名为 AFMT 的化合物，它与卡比多巴相关，能有效阻断细菌酶。希望这个例子能让大家感受到这个系统的复杂性，同时也说明我们现在已经有了工具来开启或关闭宿主和微生物对特定药物的代谢，这可能会在实验室中开启许多有趣的新实验。正如我提到的，我们认为这些药物相互作用具有广泛的意义。我们研究较多的一种药物是心脏病药物地高辛（digoxin），我们证明了饮食补充剂可以防止细菌对这些药物的灭活，因此存在一种“饮食-微生物组-药物”的相互作用。我们最近还发表了关于甲氨蝶呤（Methotrexate）的研究，这是一种治疗类风湿性关节炎的重要药物，发现微生物组的差异有助于预测哪些患者会对甲氨蝶呤产生反应。此外，微生物组对治疗的反应变化可能有助于药物产生部分有益效果。我们还对微生物组在化疗或癌症药物治疗中的作用非常感兴趣。我们正在研究微生物组如何改变治疗的副作用，以及如何与癌细胞相互作用，使其对药物更加敏感。最后，我想分享一下为什么我们认为微生物组研究在沟通交流方面特别具有挑战性，并举几个我们在实验室所做工作的例子。我认为，与前几次演讲类似，微生物组领域确实非常复杂。例如，这里展示了一篇综述文章中的图表，我认为他们试图将与微生物组相关的所有研究内容概念化，包括年龄、不同疾病以及涉及的各种细菌。我认为微生物组领域复杂的另一个原因是，微生物与体内所有不同的器官系统相互作用，这是犹他大学的 June Round 制作的一张很好的总结图。你可以看到神经系统、皮肤、心血管系统等所有这些不同的器官系统都已被研究与微生物组的关系。因此，即使微生物位于肠道中，它也可能对全身产生各种影响，这些影响很难思考、很难进行机制层面的研究，也很难进行可视化。

而且大家也知道，我们用来描述复杂宏基因组数据的许多标准方法都非常晦涩难懂。这是一个来自一篇高引用论文的例子，描述了不同微生物群落结构的聚类。对于我这样深耕该领域的人来说，其中一些面板还算直观，但我相信大家都会同意，很难确切知道我们在看什么。即使是我，如果不看图注，也不确定面板 a、b 和 c 之间到底有什么区别。面板 e 是许多微生物组论文中都会出现的内容，但即使在这个领域工作了这么久，我也很难理清我们到底在看什么。所以问题是，我们能否利用艺术来更好地传达这些复杂的发现？不仅是在图表方面，还包括我们如何谈论微生物组研究。刚开始建立实验室时，我做过一件非常有趣的事情，就是联系了 Millipore 公司，他们聘请了一位漫画家来尝试说明我们正在研究的概念。这是他们画的漫画中我最喜欢的一张。希望在刚才的介绍之后，大家现在能理解为什么我们认为细菌就像肠道里的“垃圾处理站”，它们可以吃掉我们喂给它们的任何东西。这包括我们自身酶无法消化而残留的饮食成分，也包括我们口服的许多药物。他们随后画了各种很酷的图表。对于那些思考过微生物组的人来说，希望这些都能说得通。人体内有数万亿微生物，所以我们每次进食，实际上都是在与数万亿其他生物一起进餐。“10 倍”这个数字目前还有争议，关于微生物细胞与人类细胞的比例一直存在疑问。这些微生物其实很重，光是它们的重量在体内就占了很大一部分。关于我们如何定义“人类”也存在疑问。我最喜欢的一点是意识到微生物组领域蕴藏着巨大的商机。很多人认为粪便只是一种废物，但其中蕴含着许多令人兴奋的科学。非常有趣的是，多年后，Kristie Yu 作为暑期实习生在实验室工作，她也很有艺术天赋。她灵机一动，为当时实验室里的每个人都画了小漫画。我认为这些漫画很好地总结了每个人的独特专长以及他们当时正在进行的研究。我们也尝试将更好的艺术作品融入到我们的研究报告中。这是一个例子，是 Elizabeth 和化学家最近发表的一篇论文补充材料中的图表。我想这不是用 BioRender 制作的，而是用 Illustrator 做的，但希望大家能看出她在研究什么。

Elizabeth 正在研究一种代谢途径，将松脂醇（pinoresinol，一种在亚麻籽和芝麻中含量很高的化合物）转化为肠二醇（intradial）和肠内酯（interlectin），这两种化合物被称为植物雌激素，在乳腺癌和其他疾病的研究中备受关注。非常有趣的是，多种细菌（这里有四种不同的物种）必须共同协作才能完成这一途径。为了说明我们鉴定出的每种酶和转运蛋白，以及我们认为它们在细胞中的位置，我们尝试绘制了图表。但显然，对于普通人来说，这些细节可能太多了，所以我们在开始为这项研究制作封面艺术时，尝试变得更加抽象。与 Ella Imru 工作室负责人合作时，我们认为这实际上就是一条“代谢传送带”，并思考了途径中的每个组件是如何传递给这些不同细菌的。另一个例子来自我们关于生酮饮食的研究，这是论文中的图形摘要，显示在对照饮食下，我们发现一种叫做“双歧杆菌”（bifidobacteria）的特定细菌含量较高，会诱导产生一种称为“T 辅助 17 细胞”（T helper 17 cells）的 T 细胞。另一方面，生酮饮食产生的这些特定化学物质（称为酮体或 β-羟基丁酸）会特异性地抑制这些细菌的生长，从而解除对 T 细胞的诱导。

我想可能是因为当时正值疫情初期，我们有点闷坏了，所以决定根据这些发现创作一些艺术作品。这幅图旨在向大家展示酮体就像从天而降的雨，驱散了双歧杆菌，导致 T 细胞不得不“居家隔离”。

但对于在座的学术科学家来说，你们会明白这些工具对于申请经费确实最有帮助。这是我女儿七岁时画的，她说：“爸爸不工作的时候，他有经费要写，有时候他也不写经费。”我们确实发现，这些更好的图形可以帮助我们获得经费资助。

这是一个例子，是我们实验室的博士后 Cecilia Noeker 提交给 NIH 的图表。我认为它很好地总结了她作为博士后的总体目标。在第一个目标中，她专注于深入研究一种特定物种 E. lenta 的代谢。在第二个目标中，她计划扩展研究，思考这如何融入更广泛的群落。在第三个目标中，她正在研究这在不同人群中的表现。评审员也很欣赏这幅艺术作品，她得到了 15 分。如果你不了解 NIH 的评分标准，最好的分数是 10 分，最差是 90 分。

实验室的医学博士/博士生 And Than 也使用 BioRender 为他的经费申请制作了一些艺术作品。这稍微复杂一些，但他发现肠道细菌会产生一种名为 P-糖蛋白（P-glycoprotein）的外排转运蛋白的抑制剂。这对于药物抗性、癌症以及肠道内化合物的吸收都非常重要。他非常热衷于理解其中的机制，所以每一个箭头都代表一个潜在的假设。它可能是阻断转录、运输、转运蛋白的直接活性，或者可能促进其降解。评审员非常兴奋，给了他 10 分的满分。

总结一下，希望我已经说服了大家，现在是成为一名微生物组科学家的好时机。微生物组科学正在改变我们看待营养学和药理学的方式，以及许多其他研究领域。我们的成功确实需要致力于沟通交流，而且我认为我们今天早些时候在 BioRender 中看到的那些非常酷的工具将为我们提供很大帮助。那么，非常感谢大家邀请我参加这次非常令人兴奋的会议！