人体消化道内生存的数万亿微生物远不止帮助消化食物这么简单。科学家们越来越发现，这些微生物会直接与人体细胞进行交流，甚至可能影响基因的开启和关闭。这一不断发展的研究领域揭示，肠道微生物组几乎像一个生化控制中心，通过表观遗传调节——即在不改变DNA序列本身的情况下改变基因活性的分子变化——来塑造免疫反应、新陈代谢、衰老过程以及对疾病的易感性。
来自夏威夷马诺阿大学的Noelle Rubas女士和Amada Torres博士，与约翰·A·伯恩斯医学院的Alika Maunakea教授一起，研究了肠道微生物组如何与人类表观基因组相互作用，并影响DNA和RNA甲基化——一种控制基因是活跃还是沉默的化学标记过程。他们的研究成果发表在同行评审期刊《国际分子科学杂志》上，综述了肠道微生物重塑人类基因调控的分子途径，并讨论了这些发现如何为精准医学开辟新的机遇，精准医学是一种根据个体生物学特征量身定制治疗方法的医疗方式。
Maunakea教授和他的团队将微生物组描述为"一个代谢活跃且生态动态的联盟，通过调节DNA和RNA甲基化等表观遗传机制，深刻影响宿主生理机能"。这些表观遗传标记就像生物调光开关，决定基因是激活还是保持沉默。据Maunakea教授介绍，肠道内产生的微生物信号可以通过几种相互关联的机制改变这些开关，包括维生素生产、短链脂肪酸代谢以及免疫细胞使用的化学通信系统——免疫信号。Maunakea博士表示："我们怀疑这也促进了生物衰老过程。"
综述中强调的一个重要发现涉及被称为短链脂肪酸的化合物，这些是在肠道细菌发酵肠道内膳食纤维时产生的小分子。丁酸等分子不仅为肠道细胞提供能量，还能改变染色质结构（细胞内DNA的紧密排列方式），并增强基因表达。Torres博士解释说，微生物代谢物（微生物代谢过程中产生的物质）可以影响负责向DNA添加或去除甲基基团的酶，从而有效地重新编程细胞行为。一些细菌产物也被证明会影响RNA甲基化，这是一种额外的基因调控层，控制RNA分子如何被加工并翻译成蛋白质。
Maunakea教授的团队进一步探索了微生物组如何通过表观遗传控制FOXP3来塑造免疫功能，FOXP3是调节性T细胞必需的基因，可防止免疫系统过度反应并损伤健康组织。研究发现，某些细菌，包括脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）和梭菌群的成员，通过改变FOXP3基因附近的甲基化模式和组蛋白修饰（包装DNA的蛋白质的化学变化），促进抗炎免疫反应。Torres博士指出，微生物代谢物"可能会以影响免疫、新陈代谢、神经生物学和疾病易感性的方式重新编程宿主细胞状态"。这些发现表明，肠道微生物群落的紊乱可能导致自身免疫性疾病（免疫系统攻击身体）、炎症性肠病、肥胖、神经疾病甚至癌症。
这种关系是双向的。Maunakea教授强调，人类遗传、饮食、压力、衰老和环境暴露也会影响哪些微生物种类在肠道中繁盛。例如，低纤维饮食会减少产生表观遗传活性化合物的有益细菌，而慢性炎症可能会促进与疾病相关的微生物种群。Maunakea教授的团队讨论了衰老如何与微生物失衡和加速的表观遗传衰老（基于DNA甲基化模式的生物衰老测量）相关联，这可能会增加晚年患代谢和免疫系统疾病的风险。
Maunakea教授的综述还探讨了可能改变这一领域的未来技术。高级单细胞测序（研究单个细胞中的基因活性）、人工智能模型、模拟肠道的"芯片上肠道"系统以及类器官培养（微型实验室培养的组织）现在使科学家能够以前所未有的精度研究宿主-微生物相互作用。这些工具最终可能帮助医生识别与疾病风险相关的个性化微生物和表观遗传特征。Maunakea教授特别感兴趣的是开发活体生物治疗产品（作为医疗手段使用的有益微生物）和能够恢复健康表观遗传调节的基于微生物组的干预措施。
Maunakea教授及其同事强调，将这些发现转化为临床疗法需要仔细的标准化和伦理监督。综述强调了FAIR和CARE数据原则的重要性，以确保微生物组和表观遗传学研究在不同人群中保持可重复性、透明度和公平性。Maunakea教授及其团队还指出，未来的疗法可能需要考虑祖先、饮食、地理和生活方式的差异，因为这些因素强烈影响着微生物组成和表观遗传模式。
Maunakea教授总结说，了解肠道微生物如何影响基因调控可能会从根本上重塑医学。正如Maunakea教授所解释的："深化我们对肠道微生物组如何调节宿主表观遗传程序的理解，为精准健康策略和公平的临床转化提供了新的机遇。"Maunakea教授、Torres博士和Rubas女士的研究结果表明，未来的治疗方法可能不仅直接针对人类基因，还可能针对帮助控制这些基因的微生物生态系统。
期刊参考文献
Rubas, Noelle C.; Torres, Amada; Maunakea, Alika K. "肠道微生物组与表观基因组重编程：机制、相互作用及对人类健康与疾病的影响。"《国际分子科学杂志》，2025年；26:8658。
作者简介
Noelle Rubas在Alika Maunakea博士的指导下获得硕士学位，并继续攻读博士学位，其研究扩展了动物与其相关微生物群落之间的相互作用。她的工作特别集中在微生物组与宿主表观遗传调控之间的关系，以及这些相互作用如何影响健康结果和疾病易感性。
她的研究涵盖关键领域，包括微生物群-宿主甲基组相互作用、微生物对宿主基因表达和细胞功能的调节，以及微生物群落在塑造和启动宿主免疫反应中的作用。
Dr. Amada Torres持有德国癌症研究中心(DKFZ)颁发的癌症研究博士学位证书，专攻功能基因组分析，并拥有生物技术背景。她在法国完成了神经表观遗传学和生物医学生物技术的博士后培训，研究重点是通过微RNA和质谱分析方法研究饮食行为、早期生活压力和代谢疾病。
凭借在组学科学、生物信息学、表观基因组学和高通量数据分析方面的广泛专业知识，她在墨西哥管理过基因组学和生物信息学核心设施，并在法国参与了蛋白质组学核心平台的建设。她的研究经验涵盖进化、群体遗传学、癌症基因组学、染色质结构、海洋生物技术、病毒-宿主相互作用和生物标志物发现。她与墨西哥、西班牙、法国、德国和美国的领先机构合作，包括胰腺癌基因组学、癌症表观遗传调控、水产养殖分子创新和微生物学方面的研究。
目前，作为夏威夷大学约翰·A·伯恩斯医学院解剖学、生物化学和生理学系Maunakea实验室的表观基因组学研究员，她进行基于社区的表观基因组学研究，重点关注土著人群中神经发育和神经退行性疾病以及慢性疾病。她的工作整合了多组学、临床、心理和人口统计数据，以支持人群健康研究和先进基因组研究计算管道的开发。
Dr. Alika K. Maunakea是夏威夷马诺阿大学约翰·A·伯恩斯医学院(JABSOM)解剖学、生物化学和生理学系的教授。作为在夏威夷Waiʻanae出生和长大的夏威夷原住民，他在克雷顿大学获得生物学学士学位（2001年），在加州大学旧金山分校获得生物医学科学博士学位（2008年），并在美国国立卫生研究院完成博士后培训（2012年）。在过去的二十年中，Maunakea博士建立了一个国际公认的表观遗传学和多组学研究项目，开发并应用创新的高通量、全基因组技术来研究DNA甲基化、染色质结构、组蛋白修饰、转录组学和微生物组生物学。他的开创性工作揭示了DNA甲基化在调节替代启动子使用和前mRNA剪接中的新作用，推进了我们对疾病发展背后基因-环境相互作用的理解。
Maunakea博士的研究整合了表观基因组学、免疫学和肠道微生物组科学，以研究对夏威夷原住民和太平洋岛民(NHPI)社区影响尤为严重的慢性炎症性疾病的社学生态决定因素，包括糖尿病、肥胖、心血管疾病和加速的生物衰老。通过基于社区的参与式研究方法，他领导了多学科努力，将生物标志物发现与社会和环境数据结合起来，以更好地理解疾病风险并促进预防。他的工作为重大NIH资助的队列研究做出了贡献，包括夏威夷早期糖尿病社会表观基因组学(HI-SEED)研究、太平洋海洋原住民观察(PONO)健康遗产研究以及毛伊岛野火暴露研究(MauiWES)——一项里程碑式的纵向研究，旨在考察2023年毛伊岛野火对健康的长期影响。
为应对COVID-19大流行，Maunakea博士通过NIH RADx-UP计划领导了全州范围内的努力，为服务不足的NHPI人群建立基于社区的检测和疫苗教育项目。值得注意的是，他帮助开发了夏威夷第一个在联邦合格健康中心内的CLIA认证分子诊断实验室，为该州最大的NHPI社区之一提供服务。他还创建并监督了夏威夷表观基因组学核心设施，这是该州唯一整合表观基因组学、转录组学和微生物组分析的下一代测序设施，并指导夏威夷大学整合精准营养与人类健康中心内的研究发展设施和培训联盟(CRAFT)，这是一个由NIH COBRE支持的多组学和生物信息学资源。
除了科学贡献外，Maunakea博士还致力于推进生物医学研究中的多样性和公平性。他指导和培训代表性不足的少数民族学生从事多学科科学职业，同时与社区组织、临床医生、经济学家、行为科学家和土著学者合作，将生物医学发现转化为植根于文化的健康解决方案。他的工作获得了全国认可，包括被授予2024年ARCS基金会檀香山年度科学家奖，以表彰他在表观遗传学、社区参与式科学和夏威夷原住民健康公平研究方面的开创性贡献。
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