人體微生物組研究進展

朱家輝

(陜西省西安中學 陜西西安 710018)

1990年啟動的人類基因組計劃于2003年完成測序工作，隨后圍繞測序成果開展了進一步的研究工作，這項計劃除了發現全部人類基因組約有2.6萬個基因外，還發現人類基因組中大約有200多個基因來自于人祖先基因組中的細菌基因，提示了寄生于人體的細菌可能與寄主人體之間發生了遺傳信息的交流。另外，人體微生物的數量及基因組數目遠超過人體自身。人們通過多年的臨床觀察及研究發現，人體微生物對人的健康和疾病的發展有重大影響，很多疾病的發病機制涉及多種微生物。由于人體微生物對人類生命活動的影響巨大，將人體微生物的基因組稱為人的“第二基因組”，它與人類自身的基因組共同作用，參與人體的發育、營養、代謝、免疫等過程，影響人類健康。

人體微生物組是人體所有微生物群及其遺傳物質的總和。2005年，13個國家的科學家在巴黎召開了第一屆國際微生物組大會，組建了“國際人體微生物組聯盟”，共同協作，助力人類微生物組研究。美國啟動了人體微生物組計劃(HMP)，產生了超過14.23tb的數據，到2016年，HMP已經發布了超過800個參照微生物基因組序列、超過3萬億bp的微生物宏基因組測序數據、7000多萬個16SrRNA序列數據、500多萬個特異預測基因。2017年發表在《Nature》上的一項研究工作介紹了HMP的第二波數據，包括1631個新的宏基因組數據，使用更新的分析和組裝方法對身體不同部位和時間進行分析[1]。HMP之后，美國國立衛生研究院啟動了艾滋病人肺部微生物組計劃，隨后其他國家也相繼開展人體微生物組的大規模項目，包括岡比亞腸道微生物組計劃、INRA法國/中國MicroObes項目、加拿大人體微生物組項目、澳大利亞人體微生物組快速啟動計劃和韓國雙胞胎群組微生物組多樣性計劃。2008年，國際人類微生物組研究聯盟(IHMC)成立，全世界都在蓬勃開展人體微生物組相關的研究。這個學科的潛力正在被不斷發掘。

本文在總結眾多研究成果的基礎上，從人體微生物組研究對象的多樣性、科學的研究方法及技術、人體微生物組的功能以及人們對微生物組研究成果的應用方面入手，綜述這一領域的研究進展，希望能為該領域的研究人員提供較為全面的資料，同時也能幫助有興趣進行此類研究的科研人員快速了解行業發展趨勢。

一、人體微生物組的多樣性

HMP計劃從健康人體的五大主要部位(口腔、皮膚、呼吸道、腸道、生殖道)采樣并提取DNA后發現不同身體部位的DNA提取量差別很大，序列分析表明不同身體部位的微生物結構組成也有差別。我們將重點從人體三個主要部位的微生物結構組成及定植規律等方面分析人體微生物組的生態及多樣性。

(一)腸道微生物群落

在HMP進行過程中的研究發現，人腸道樣本DNA含量為各部位之首，是DNA含量最少的皮膚樣本的百倍以上。人腸道微生物種類和數量可占到人體微生物總量的90%。新生兒的腸道微生物菌群主要來自于母體產道、糞便及體表微生物菌群的垂直傳遞[2，3]。這些微生物的定殖與發展呈動態變化[4]，一些兼性厭氧微生物，如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等在腸道中增殖逐漸形成厭氧的腸道環境。嬰兒腸道微生物受多種因素影響，出生第一個月腸道環境發生大的變化會導致某些種類微生物消失，那些到成年階段仍然存在的微生物成為腸道固有菌群。出生后三年內嬰兒的腸道微生物種類不斷增加，擬桿菌門逐漸成為優勢菌群，腸道微生物的結構組成也逐漸達到成年人水平。由于環境、種族和生活習慣等因素差異，中國人腸道菌群可能有獨特的特征。2017年趙立平等人在中國科學院院刊上建議啟動“國際華族健康微生物組研究計劃”，希望借助從對遺傳背景相對穩定，飲食、生活方式不同的人群菌群結構的研究深入揭示慢性病的發病機制[5]。Zhang等人以居住在三個城市的健康成年人糞便為樣本，使用宏基因組學方法研究了健康中國人群腸道微生物群落特征，發現了11個核心細菌種屬，研究了疾病相關的微生物的分布模式，為中國人群健康腸道微生物組成提供數據基礎[6]。

(二)呼吸道微生物群落

曾經，人們以為健康的肺部是無菌的，但下呼吸道纖支鏡刷樣本中檢測到了擬桿菌、厚壁菌、變形桿菌、梭桿菌，并且發現健康肺部與哮喘病人肺內的菌群結構組成不同[7]。呼吸道微生物組守衛著人體健康的大門[8]。Charlson等人從6名健康個體的多個部位采集呼吸道菌群，通過16S rDNA Q-PCR和深度測序分析細菌豐度和組成，發現厚壁菌門的veillonellaceae、擬桿菌門中的prevotellaceae和厚壁菌門鏈球菌科的微生物是呼吸道中的優勢菌群，呼吸道微生物群生物量呈現從上到下減少的趨勢，肺部微生物群與上呼吸道菌群無法明確區分[9]。Morris等人為檢查健康個體下呼吸道微生物組成，收集口腔洗液和支氣管鏡下肺泡灌洗液后基于16S RNA進行序列分析，利用群落生態學的中性模型確定肺微生物最可能的存在的細菌，發現肺內鑒定的細菌大部分也在口腔出現，但在幾個物種中存在差異[10]。新生兒由母嬰垂直傳遞已建立起呼吸道微生物微環境但是并不穩定。健康人體可通過肺部的固有免疫機制比如黏膜纖毛清除、巨噬細胞吞噬、呼吸道表面可溶性液體的抑制作用，預防吸入的微生物造成感染。

(三)口腔微生物群落

口腔內有舌、咽喉、齒齦及口腔黏膜等黏膜表面和牙釉質表面，以及含有抗菌物質的唾液，為微生物的定殖提供復雜的環境條件。口腔中有上百種微生物，包括細菌、真菌、病毒、原生動物[11]。胎兒出生的時候由產道獲得原始菌群，在從新生兒到成人的成長過程中原始菌群經過初始附著、代謝相互作用、信息交換等途徑進行定殖并演替。健康口腔定殖菌群如果轉移到人體其它環境中具有誘發感染的風險。

二、人體微生物組研究方法及策略

傳統的研究方法主要包括分離培養、染色分析及血清學試驗等檢測手段，由于微生物群落中各微生物豐度不同以及培養條件的不適宜會導致部分低豐度或難培養微生物培養失敗而被漏檢。微生物的培養是研究個體及群落生理生化特征及功能的必要手段。因此，不斷有研究組投入大量精力致力于微生物培養條件的研究優化。根據“盡可能模擬微生物自然生長條件”的培養原則，人們發展出了許多現代、高通量的培養方法，如向培養體系中加入生長環境的成份、加入群落中其它微生物代謝物、加入微生物生長因子、制作“細菌陷阱”等，成功培養了許多難培養微生物。

事實上，由于人們對一些微生物生存條件及代謝情況的不了解，目前仍然存在許多不可培養的微生物。為獲得這部分微生物的信息，人們發展了一系列的免培養技術來研究微生物群落結構及基因組信息，如16SrRNA測序[4，12]和宏基因組學等技術[13-16]。

三、人體微生物組的功能

隨著經濟不斷發展和社會進步，人類的疾病譜發生了急劇變化，從以傳染病為主逐漸變為傳染病和慢性病并重，甚至是慢性病更多地威脅著人類健康。這與人們生活方式和飲食結構的變化有很大關系。如何防治慢性病，維護人類健康是急需解決的重大科技問題。研究證明，與人體共生的微生物菌群對人體健康狀態作用重大，其結構失調與多種慢性病的發生相關。2012年華大基因發表了糖尿病人和健康人腸道菌群差異的大規模測序結果；2014年浙江大學的Qin等人發表了肝硬化病人腸道菌群的結構特征[17]；王婷婷等人研究了結腸癌發生發展過程中腸道菌群的變化規律[18]。這些研究結果都說明腸道微生物結構的變化和失調影響人體健康。

(一)與人體代謝的關系

隨著宏基因組學、宏轉錄組學等技術的發展，人體微生物的功能基因逐漸被發掘出來。2006年Steven等人[19]采用鳥槍測序法對人體腸道微生物組進行宏基因組測序分析，與同源基因信息庫(COG)對比結果表明，腸道微生物基因組中富含許多人體自身不具備但卻是生命活動所需的參與碳水代合物、甲烷生成、氨基酸、維生素和短鏈脂肪酸代謝有關的基因。一項基于多組學的系統分析表明腸道菌群失調對兒童遺傳和單純性肥胖都有重要的病因貢獻[20]。Gosalbes等人[21]采用宏轉錄組技術對10名健康志愿者的腸道微生物進行功能探索，發現腸道功能活性微生物的主要菌種的功能主要包括了碳水化合物代謝、能量轉換及細胞組分的合成。這些研究都表明了腸道微生物是人體代謝的重要參與者。

(二)對人體生理功能的調控

人體微生物是人體代謝的重要參與者，不但能為人體的代謝提供底物、酶和能量，還參與維生素的合成[22]、將難消化的食物成分發酵成可吸收的代謝物、去除有毒化合物，其產生的代謝物還能促進人上皮細胞的生長和分化。微生物代謝物，如短鏈脂肪酸除了為人提供能源外，還能促進血管舒張和腸道蠕動、幫助上皮組織傷口愈合、作用于中性粒細胞等抑制炎癥的產生[23]，或作用于分泌細胞來增加胰島素的分泌。微生物的代謝物還能間接影響大腦的認知功能[24，25]。研究人員在小鼠中的研究發現腸道微生物與先天免疫系統的相互作用是影響I型糖尿病的發生的關鍵表觀遺傳因素[26]；腸道微生物還可以改變膽汁酸在人體的循環過程，調節脂肪和葡萄糖代謝，影響人體血清代謝組和胰島素敏感性[27]，影響II型糖尿病的發病。

(三)對人體免疫能力的作用

人們的免疫系統能識別和消滅外來病原菌，但卻允許體內共生微生物的存在。微生物在與人體共同進化的幾百萬年時間里已經與人體的免疫系統形成了密切關系，能通過對有限營養物質的直接競爭和宿主免疫反應的調節等機制保護人體免受外來病原體和潛在有害的體內微生物的定殖[28]。MBL缺乏的慢性阻塞性肺病患者的肺微生物群多樣化程度高，更不容易被嗜血桿菌定植，氣道炎癥水平較低[29]。腸道微生物與腸黏膜免疫系統的形成有關。研究表明，嬰兒早期共生微生物定殖能促進上皮內淋巴T細胞的發育[30]，微生物菌群結構失調可能會導致免疫系統異常[31-33]，增加患食物過敏、腸道炎癥性疾病(IBD)、類風濕關節炎或I型糖尿病的風險。

四、人體微生物組的應用

(一)人體微生物群落重建

大量的研究表明，腸炎癥性疾病患者腸道微生物群與健康個體相比發生了顯著變化。人們通過對人體微生物組及功能的研究和臨床試驗發現，特定的細菌能影響宿主多種代謝通路的發育，包括炎癥和抗炎反應。不同的共生微生物定殖會影響宿主患感染或自身免疫病的可能，共生微生物種群組成對維持宿主健康狀態很重要，一些共生菌群有防止炎性腸病的作用[31，34]。尋找合適的共生微生物組合，幫助它們在人身上進行定植是治療某些目前無法治愈的多種疾病的新思路。通過確定在宿主出生時定植的共生菌組合，可以提高宿主早期抗感染的能力并可以防止自身免疫病的發生[35]。

(二)開發以腸道菌群為靶點的醫藥、食品及保健品

中醫有以糞便入藥的作法，2015年Xu等人通過隨機雙盲及安慰劑對照的臨床試驗證實“葛根芩連湯”對糖尿病有顯著療效，并提供分子水平的證據證明該中藥可能是通過調整菌群結構發揮藥效[36]。從人體微生物組定殖規律的研究中不難發現，人們微生物組的結構與寄主代謝密切相關。人的年齡、生活和飲食習慣[37]、健康狀態、遺傳因素、情緒狀態及是否接受抗菌治療都會對共生的微生物群落產生影響，微生物群落結構又影響宿主健康狀態。微生物與宿主間存在相互作用關系[23，38，39]，雖然微生物之間以及微生物與人體之間的許多相互作用關系還不明確，但是基于目前研究，人們發現菌群的構成和代謝可被飲食調控，科學和臨床實驗有大量證據表明，一些益生菌[40]、益生元和合生元對人體健康有很大作用。一種被稱為VSL3的多益生菌制劑具有治療結腸炎的效果。益生元是一種食品級的非生物材料，能促進人體內益生菌的增殖。在一種toll樣受體7依賴的系統性紅斑狼瘡小鼠模型上的實驗表明，飲食抗性淀粉可以改善由羅伊乳桿菌引起的自身免疫病[41]。一項針對Prader-Willi綜合癥(PWS)和單純性肥胖兒童的住院干預實驗中，富含非消化性碳水化合物的飲食可顯著減輕體重并伴隨腸道菌群結構的改變，同時減輕炎癥[20]。花青素malvidin 3-葡萄糖苷可以通過調節結腸上皮細胞完整性、腸道微生物群以及主要炎癥介質而改善腸道炎癥。合生元是益生菌和益生元的組合，Furrie等人對18名潰瘍性結腸炎患者進行為期1個月的聯合使用益生菌，和益生元治療潰瘍性結腸炎的隨機雙盲對照試驗，證明合生元的使用減輕了炎癥，健康的上皮組織再生明顯[42]。

五、討論和展望

人體微生物組對共生菌群的分析使疾病模式能夠緊密地與特定微生物或微生物群相聯系。我們可以通過對微生物的調控來影響機體生理和免疫狀態，從而對疾病進行有效治療，改善人類健康，延長人類壽命。例如，基于利用微生物組的癌癥免疫療法[43]。近年來，大規模的宏基因組、宏轉錄組、宏代謝組學研究提供了人體微生物組結構和功能的信息，但對人體生理代謝重要的微生物功能基因在很大程度上尚未被揭示。就像Lynch等人在一篇綜述中提到的，目前許多工作集中在探索微生物菌群與疾病的因果關系以及由微生物介導的疾病的致病機理[44]。如何利用大量的組學方法獲得的數據集提出功能性微生物組的合理假設，還需要開發并合理使用實驗模型觀察研究潛在功能基因所產生的效應，促進功能微生物基因的發現。我們在對特殊部位微生物組進行調節時，應發展相應的微擾方法避免影響關鍵的生物學功能。另外，在小鼠上進行的一項有關可溶性膳食纖維的研究結果表明，在腸道微生物生態失調時進補這種傳統意義上的益生元會增加肝癌風險，提示人們嘗試將微生物組研究知識和成果應用于實踐的過程中應謹慎操作[45]。