飲食的改變會(huì)改變人體的微生物群，對(duì)健康造成潛在的影響。根據(jù)以往的研究，飲食驅(qū)動(dòng)的微生物群變化不僅可以導(dǎo)致失調(diào)，還可以塑造生活史特征，推動(dòng)人類進(jìn)化?？紤]到環(huán)境、健康和進(jìn)化是相互關(guān)聯(lián)的，那么飲食驅(qū)動(dòng)的微生物群干擾是否會(huì)產(chǎn)生超出其對(duì)人類健康直接影響的后果？
氣候變化與飲食
氣候變化可以通過多種途徑影響人類健康。到目前為止，關(guān)于氣候變化對(duì)人類健康的影響的公眾關(guān)注和科學(xué)研究主要集中在氣候?yàn)?zāi)難（例如洪水，熱浪和流行?。┊a(chǎn)生的CO2排放和健康風(fēng)險(xiǎn)上。盡管仍然相對(duì)罕見，但隨著氣候變化，這些災(zāi)難預(yù)計(jì)會(huì)變得更加頻繁和嚴(yán)重。
在這些事件中暴露于危險(xiǎn)條件的風(fēng)險(xiǎn)很高，幸存者可能會(huì)遭受長(zhǎng)期的健康危機(jī)（例如，運(yùn)動(dòng)功能喪失）的困擾。隨著時(shí)間的推移，這些風(fēng)險(xiǎn)會(huì)積累。飲食就是其中一種途徑。
氣候變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力會(huì)影響許多影響人類飲食的因素，包括作物產(chǎn)量，耕作方式和飲食習(xí)慣。農(nóng)作物的生產(chǎn)耕作以及烹飪方式可能在正在改變以適應(yīng)人類的飲食習(xí)慣。氣候變化，對(duì)飲食有明顯影響。例如，對(duì)玻利維亞八個(gè)Aymara社區(qū)的案例研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)民在介紹他們認(rèn)為更堅(jiān)固的農(nóng)作物的同時(shí)，種植了他們認(rèn)為更易受氣候影響的作物，例如塊莖旱金蓮（一種不一樣的土豆）。
飲食變化對(duì)人類健康和進(jìn)化有何后果？雖然氣候變化與飲食之間的聯(lián)系在文獻(xiàn)中可能已經(jīng)很好地確立，但飲食變化轉(zhuǎn)化為健康后果并幫助產(chǎn)生新的表型性狀的機(jī)制仍需要闡明。
飲食變化和人類健康
飲食攝入可能通過影響寄主的表觀遺傳學(xué)和寄主的微生物組而影響健康。此外，宿主與微生物組之間存在復(fù)雜的表觀遺傳關(guān)系，表觀遺傳現(xiàn)象可能會(huì)影響進(jìn)化。
在此基礎(chǔ)上，德國(guó)科學(xué)家Francesco Catania和Jan Baedke提出了一個(gè)模型，該模型考慮了表觀遺傳機(jī)制與人類微生物組之間的相互作用以及它們與宿主遺傳學(xué)的串?dāng)_。并且認(rèn)為，將人類概念化為靈活的生態(tài)系統(tǒng)或整體生物可能有助于揭示與飲食有關(guān)的變化對(duì)人類健康的某些后果，并提供對(duì)人類后代的預(yù)測(cè)歷史特征和適應(yīng)能力。
在該模型中，氣候變化引起的飲食變化會(huì)通過營(yíng)養(yǎng)不良增加健康風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，這些過程促使微生物組重新配置，從而觸發(fā)跨代對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性反應(yīng)。作為實(shí)現(xiàn)這些短期和長(zhǎng)期影響的關(guān)鍵途徑，我們確定了微生物組-表觀基因組-免疫軸。
從飲食到微生物的表型
近年來，微生物組群已成為環(huán)境因素（如營(yíng)養(yǎng)模式）與人類健康之間的一個(gè)新中介。人類微生物群包括定植于人類皮膚、胎盤、子宮、精液、肺、唾液、口腔粘膜、結(jié)膜，尤其是胃腸道的所有細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌、原生生物和病毒。如果我們將人類視為一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)及其微生物群。那么，微生物群提供了大量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，刺激免疫系統(tǒng)并塑造其發(fā)育，有助于神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和功能，微量營(yíng)養(yǎng)素的合成，營(yíng)養(yǎng)素的消化和吸收，以及能量調(diào)節(jié)。
這些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可靠性取決于宿主與其微生物組之間的有效串?dāng)_，而這種串?dāng)_受飲食模式的影響。因此，根據(jù)最近的建議，氣候變化引起的飲食或生活方式的改變也可能影響宿主的健康狀況。
事實(shí)上，人類健康狀況的變化腸道微生物群（例如，由于在食品生產(chǎn)中越來越多地使用抗生素）與各種疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)，如自身免疫疾病，癌癥，代謝紊亂和精神障礙，如抑郁癥，通過所謂的“腸-腦軸”。然而，這種關(guān)系的分子基礎(chǔ)以及表型與微生物組的組成和豐度之間聯(lián)系的范圍和強(qiáng)度仍然不清楚。
世代之間的微生物組
已經(jīng)提出了微生物群建立、穩(wěn)定性和跨代傳播的多種進(jìn)化和生態(tài)模型。人類宿主與其駐留微生物群之間的廣泛串?dāng)_表明它們已經(jīng)共同進(jìn)化或可能已經(jīng)共同適應(yīng)，即人類微生物群已經(jīng)與宿主共同進(jìn)化，適應(yīng)人類生態(tài)系統(tǒng)并發(fā)展互利。與此觀點(diǎn)一致，在人類生態(tài)系統(tǒng)中只有一小部分已知細(xì)菌菌群存在 。整體全息圖關(guān)聯(lián)也可能反映了一種單方面的適應(yīng)過程（例如，宿主已適應(yīng)其微生物，但微生物未適應(yīng)其宿主）。
微生物群的構(gòu)型在生命的早期就受到很大影響。在成年人中，微生物群保持一定程度的靈活性，這種靈活性可能在一定程度上受到環(huán)境條件和因素的調(diào)節(jié)，如宿主的遺傳背景、行為和生活方式、性別和年齡。因此，微生物組分的跨代復(fù)發(fā)至少在一定程度上依賴于生命早期展開的生物過程。
在人類中，母體環(huán)境似乎有助于嬰兒腸道的細(xì)菌定植。然而，這種母體貢獻(xiàn)是部分的，因此不足以保證類似于遺傳信息的可靠傳播。穩(wěn)定的（環(huán)境遺傳的）文化和行為模式可以彌補(bǔ)宿主-微生物群關(guān)系的跨代穩(wěn)定性不足。例如，穩(wěn)定的喂養(yǎng)方式，分娩方式和衛(wèi)生習(xí)慣中的文化模式會(huì)導(dǎo)致嬰兒期相似的微生物連續(xù)定居。與其他動(dòng)物一樣，社會(huì)互動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)打開微生物傳播的渠道。
最后，宿主遺傳學(xué)也可能在微生物組（尤其是腸道）的獲取，維持和穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用。基因決定的免疫特性，連同微生物細(xì)胞之間的競(jìng)爭(zhēng)，可能有助于調(diào)節(jié)和維持給定生態(tài)位空間中微生物種群的適當(dāng)組成和水平。總之，垂直和水平傳播以及宿主基因有助于微生物組的跨代穩(wěn)定性。
宿主表觀基因組對(duì)微生物定殖的貢獻(xiàn)與將表觀遺傳變化（如DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA的調(diào)控）與微生物群定殖和功能性聯(lián)系起來的研究一致。這也與研究改變微生物群表觀遺傳修飾的報(bào)告一致與疾病的發(fā)生有關(guān)。
宿主表觀基因組既可以形成，也可以由獲得的微生物群形成。獲得的微生物群可以影響宿主的食欲、攝食行為和食物選擇，進(jìn)而影響基因調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。
因此，建議微生物群不僅可以通過各種模式和渠道穩(wěn)定地傳播和獲取。它也可以重塑宿主表觀基因組。這種表觀遺傳重塑會(huì)影響后代的發(fā)育，從而有效地將當(dāng)前的環(huán)境變化（如飲食變化）與宿主的發(fā)育，代謝和免疫過程的未來變化聯(lián)系起來。
表觀和微生物組重塑的這種相互過程可能會(huì)在各個(gè)世代之間展開，直到整個(gè)全功能系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)（宿主－微生物組匹配）為止。
全功能生物的微生物群-表觀基因組-免疫軸。（1） 氣候變化改變了人類的飲食。（2） 與氣候變化相關(guān)的飲食變化會(huì)影響微生物組（例如，影響微生物多樣性、成分或代謝物）、宿主的表觀基因組（例如，通過攝入改變基因表達(dá)的化合物）和宿主免疫系統(tǒng)（例如，營(yíng)養(yǎng)不足可延遲對(duì)病原體的免疫反應(yīng)）。（3） 在人體內(nèi)，微生物群、宿主表觀基因組和宿主免疫系統(tǒng)之間的相互作用是廣泛而動(dòng)態(tài)的。宿主DNA和環(huán)境會(huì)影響這種串?dāng)_（例如，表觀遺傳因素標(biāo)志著微生物定殖的宿主生態(tài)位，這一過程也由免疫系統(tǒng)決定）。飲食介導(dǎo)的效應(yīng)可以使微生物組、表觀基因組和免疫系統(tǒng)之間的關(guān)系失去平衡，并在世代內(nèi)和世代間對(duì)全息生物特性產(chǎn)生影響。（4） 同時(shí)，人類全息生物通過潛在的下游反饋積極地改變其環(huán)境（例如，通過文化生態(tài)位構(gòu)建）
從飲食變化到疾病適應(yīng)
擴(kuò)展上述命題，假設(shè)微生物物種的優(yōu)勢(shì)和復(fù)發(fā)及其在人類中的功能部分反映了可以跨代傳遞生態(tài)信息的保守的表觀遺傳調(diào)控過程。這些表觀遺傳過程可直接（例如，通過生態(tài)位特異性基因調(diào)控）和/或間接（例如，通過免疫系統(tǒng)的可塑性選擇性）指導(dǎo)宿主的微生物定殖。
進(jìn)一步假設(shè)“微生物組表觀基因組免疫軸”對(duì)與氣候變化相關(guān)的飲食、飲食習(xí)慣和壓力相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)變化敏感。充分的飲食改變改變了宿主的表觀基因組，進(jìn)而改變了宿主的微生物組。同時(shí)，它們影響微生物的定殖過程，并通過這一過程影響宿主的表觀基因組。這些動(dòng)態(tài)變化在宿主的基因組成和非基因成分之間產(chǎn)生了不同程度的不匹配，從而產(chǎn)生了兩個(gè)關(guān)鍵效應(yīng)和權(quán)衡。
首先，全功能體內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可能被破壞，有害表型可能出現(xiàn)。這與通常提出的異常腸道菌群組成與肥胖癥、炎癥性腸病、和其他疾病之間的聯(lián)系一致。然而，改變常駐或定植微生物群，如抗生素使用、飲食變化和人為影響也可能產(chǎn)生非疾病表型。
先前的研究表明，一方面，完整生物環(huán)境（即導(dǎo)致微生物組分和代謝能力失衡的環(huán)境）與生命早期先天免疫系統(tǒng)活性降低以及生命后期適應(yīng)性免疫系統(tǒng)（AIS）的過度刺激有關(guān)。AIS過度刺激可能會(huì)增強(qiáng)免疫失火，從而促進(jìn)自身免疫疾病的發(fā)生。
另一方面，AIS過度刺激可能會(huì)增強(qiáng)全功能體生物的防御機(jī)制，這種機(jī)制通常會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而惡化，從而延長(zhǎng)生物的壽命。AIS過度刺激導(dǎo)致的增強(qiáng)的免疫失火預(yù)計(jì)會(huì)降低妊娠至足月的幾率。例如，自身免疫性疾病系統(tǒng)性紅斑狼瘡增加了妊娠丟失、臨產(chǎn)前分娩和胎盤功能不全的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在增加疾病的風(fēng)險(xiǎn)，飲食相關(guān)的改變也可能延長(zhǎng)壽命，降低人類的生育成功率。
其次，宿主的基因組成與其微生物組之間的不匹配可能會(huì)產(chǎn)生生物內(nèi)部的壓力，這可能會(huì)對(duì)生物的組成部分施加不同程度的壓力。這種壓力類似于在宿主-病原體相互作用中或在本地物種和入侵物種之間的生物入侵過程中出現(xiàn)的壓力。例如，宿主-微生物組錯(cuò)配可能會(huì)觸發(fā)不期望的免疫反應(yīng)，從而削弱宿主，同時(shí)在本地（即共同進(jìn)化的）微生物組分受到破壞后，為定植創(chuàng)造生態(tài)位空間。因此，這種不匹配代表了獲得適應(yīng)性變化的第一步。
要理解這一進(jìn)化過程，首先必須注意的是，寄主的基因組成和微生物群之間的不匹配可以由后代遺傳。更具體地說，完整生物的表觀基因組可能通過表觀遺傳修飾的直接傳遞或表觀遺傳標(biāo)記的從頭誘導(dǎo)從母親傳給胎兒。這些反復(fù)出現(xiàn)的表觀遺傳模式有利于后代完整生物中親本微生物組群的重新配置。這意味著患有自身免疫性疾病的個(gè)體的后代可能通過非基因遺傳表現(xiàn)出相同的特征。與此相一致的是，具有適度遺傳力和共同環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的自身免疫性疾病通常會(huì)跨代復(fù)發(fā)。該模型的一個(gè)含義是，人類父母和后代壽命之間的正相關(guān)部分反映了跨代表觀遺傳，與先前的觀察和其他物種的發(fā)現(xiàn)一致。
與上一代相比，根據(jù)宿主基因（其中一半遺傳自母親，另一半遺傳自父親）和環(huán)境（可能相對(duì)恒定或世代不同）之間的不匹配程度，后代完整生物反復(fù)出現(xiàn)的生理或免疫反應(yīng)可能減弱或加劇。
在一個(gè)基本不變的環(huán)境中，表型性狀的代際轉(zhuǎn)換可能是有方向的，并趨向于局部最優(yōu)?；蛘撸?dāng)環(huán)境不斷變化時(shí)，代際轉(zhuǎn)換可能是波動(dòng)和不規(guī)則的。最簡(jiǎn)單的情況是，代際環(huán)境基本不變，遺傳變異性很小，全生命體內(nèi)的壓力有助于恢復(fù)生命史特征之間的失調(diào)前關(guān)系（即，生殖成功率的增加以壽命為代價(jià)）。
更一般地說，我們假設(shè)，人口的平均適合度有一種自然趨勢(shì)，即在健康平衡中斷時(shí)反彈（下圖）。類似的動(dòng)態(tài)也與“輔助基因流”有關(guān)，通過這種做法，合適的基因型被重新定位，以幫助當(dāng)?shù)厝丝诟蠚夂蜃兓牟椒ァ＿@種非當(dāng)?shù)鼗蛐偷闹匦露ㄎ豢赡軙?huì)導(dǎo)致繁殖抑制，從而降低人口相對(duì)于親本人口的平均適應(yīng)度。然而，這種健康狀況的下降通常是暫時(shí)的。當(dāng)?shù)厝丝谠趲状畠?nèi)恢復(fù)，可能獲得比引進(jìn)移民基因型之前更高的平均適應(yīng)值。
整體人的健康和適應(yīng)飲食變化的適應(yīng)能力。飲食變化會(huì)觸發(fā)宿主微生物組失配，從而擾亂整個(gè)節(jié)肢動(dòng)物（例如，在宿主體內(nèi)觸發(fā)不良的免疫反應(yīng)），同時(shí)促進(jìn)其適應(yīng)性反應(yīng)（例如，通過為新型微生物定殖創(chuàng)造適當(dāng)?shù)目臻g）。箭頭描繪了由于氣候變化引起的飲食轉(zhuǎn)變而引發(fā)的人類全生命周期的進(jìn)化軌跡。在第一階段（紅色箭頭）描述了與飲食變化相關(guān)的整體全息內(nèi)應(yīng)力。在這里，整體人面臨著疾病的易感性，例如過敏性和自身免疫性疾病，這些疾病可能是表觀遺傳的。在這種不穩(wěn)定的健康狀態(tài)下，整體類人承受著促進(jìn)獲得微生物，遺傳和非遺傳變異的壓力，最終使整體類人達(dá)到了新的平衡（綠色箭頭）
重新建立宿主-微生物平衡
影響表型狀態(tài)遺傳的表觀遺傳機(jī)制有助于在新環(huán)境中建立最佳適應(yīng)度。除此之外，還可能發(fā)生重新建立宿主-微生物和諧關(guān)系的基因變化。免疫、生殖和壽命相關(guān)的宿主基因是上述許多可塑性的基礎(chǔ)。因此，這些基因的變化有助于重建生態(tài)失調(diào)前的宿主-微生物平衡。事實(shí)上，這些基因在人類適應(yīng)中起著重要作用，是最常見的候選選擇目標(biāo)之一。
遺傳變化也可能在全功能體生物的微生物成分中積累。應(yīng)激誘導(dǎo)的突變提高了微生物的突變率，加速了有益基因變體的出現(xiàn)。此外，微生物組對(duì)應(yīng)激（暴露于有毒物質(zhì)）的快速適應(yīng)和抗性細(xì)菌的選擇可能使宿主的后代產(chǎn)生更高的毒性耐受性。這可能通過不同的微生物傳播途徑遺傳。最后，微生物組對(duì)新飲食的適應(yīng)可能解釋了人類食用海藻的原因，]奶牛的草食進(jìn)化，吸血蝙蝠的嗜血性。例如，有人認(rèn)為，應(yīng)對(duì)吸血蝙蝠新飲食所需的形態(tài)、免疫和生理適應(yīng)的很大一部分并不是由于宿主的基因組適應(yīng)，而是由普通蝙蝠功能核心微生物群中基因的正選擇驅(qū)動(dòng)的。因此，由于微生物組的適應(yīng)性變化，全功能體生物可能進(jìn)化出適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)挑戰(zhàn)的解決方案。宿主基因組的適應(yīng)性變化可能伴隨也可能不伴隨微生物組的重組。
總而言之，與飲食相關(guān)的生物體內(nèi)應(yīng)激可能會(huì)促進(jìn)宿主和微生物群的遺傳和非遺傳變化，這些變化可能會(huì)傳染給下一代。雖然這些變化可能會(huì)增加疾病易感性，但也可能有助于重新調(diào)整宿主和微生物群的利益。宿主與其微生物群之間重新建立的和諧串?dāng)_（如果實(shí)現(xiàn)）表明了全息生物在新環(huán)境中的最佳綜合性能。
全局視角
除了對(duì)全基因組方法的擴(kuò)展之外，該模型還提供了“健康”或“有利”微生物組的操作定義，即微生物聯(lián)合體，不僅與宿主的生活方式、社會(huì)文化和環(huán)境環(huán)境相協(xié)調(diào)，而且在很大程度上，以及它的遺傳背景。這些聯(lián)盟不需要由固定物種組成。由于相當(dāng)多的代謝冗余，具有相同功能的基因分布在許多細(xì)菌物種中。這使得一個(gè)“健康”的腸道微生物組群能夠以多種不同的方式組合起來，并允許在宿主世代間丟失或重新發(fā)現(xiàn)微生物類群。這一定義有助于實(shí)施“精確”腸道微生物組群調(diào)節(jié)的最佳治療策略。
微生物組通常被認(rèn)為是許多慢性疾?。ㄈ缱陨砻庖呒膊。┲委煾深A(yù)的有效靶點(diǎn)，前提是改變的微生物組與某種疾病有因果聯(lián)系，目前減輕與局部疾病相關(guān)的健康挑戰(zhàn)的醫(yī)療干預(yù)形式有可能減輕或抑制生物體內(nèi)的壓力。
在該模型支持下，意味著醫(yī)療干預(yù)也延遲了潛在適應(yīng)性變異的出現(xiàn)。基于醫(yī)學(xué)干預(yù)放松了對(duì)疾病相關(guān)基因變異的自然選擇這一觀點(diǎn)，先前也得出了質(zhì)量上類似的結(jié)論。最后，如果模型是正確的，目前未能解釋表觀遺傳微生物背景和代際影響阻礙了我們對(duì)許多疾病的理解。通常與癌癥等風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)的特定基因變異，只有在與相關(guān)（微）環(huán)境因素相結(jié)合的情況下才可能是重要的。
到目前為止，很少有生物學(xué)家認(rèn)為發(fā)育中有機(jī)體的微生物群是有偏見和快速適應(yīng)性變異的潛在來源，尤其是在人類中。
該研究提出的大視野，跨時(shí)空觀點(diǎn)需要理解全功能生物體既是一個(gè)免疫個(gè)體，也是一個(gè)進(jìn)化個(gè)體。
為了研究這兩者之間的復(fù)雜糾纏。首先需要掌握人類微生物變異的限度和范圍，了解在環(huán)境變化面前（腸道）微生物群落的重組是如何廣泛和迅速的。
第二個(gè)挑戰(zhàn)是了解人類群體之間和內(nèi)部腸道微生物變異性的差異是否會(huì)導(dǎo)致對(duì)氣候變化相關(guān)營(yíng)養(yǎng)挑戰(zhàn)的不同健康和進(jìn)化反應(yīng)。
最后，為患者量身定制的醫(yī)療應(yīng)用程序的開發(fā)不應(yīng)將人類個(gè)體視為與氣候變化相關(guān)的健康干預(yù)措施的唯一目標(biāo)。相反，全功能生物體的集體應(yīng)被視為潛在患者。它復(fù)雜的內(nèi)部關(guān)系、串?dāng)_和權(quán)衡需要成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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