人体微生物群与微生物组

郭晓奎

上海交通大学医学院免疫学与微生物学系，上海 200025



·特约专稿·

人体微生物群与微生物组

郭晓奎

上海交通大学医学院免疫学与微生物学系，上海 200025

随着微生物群(组)研究的兴起，人体微生物组对机体健康或疾病作用的探索一度呈井喷之势，但研究技术及分析方法仍处于起步阶段，需进一步深入。本文对微生物群和微生物组的概念进行了解释，阐述了人体微生物群与机体的相互作用模式，概括了微生物群与人体有关疾病的关系，提出了人体微生物组研究中的6个关键问题，并对未来的发展方向进行了展望。

微生物群；微生物组；微生物群调控

微生物群(microbiota)是特定时间及特定生境中所有微生物有机体的总称，其组成包括非细胞结构的病毒(包括噬菌体)、原核生物中的真细菌和古细菌以及真核细胞微生物。与之对应，微生物群可划分为病毒群、细菌群、古细菌群和真核细胞型微生物群。而微生物组(microbiome)是特定时间及特定生境中微生物群所包含的基因序列(含同源序列)的总和。两者不完全对应(图1)，微生物组的范围更广，特别是动物和植物微生物组。微生物组与其宿主基因组有重叠部分——主要是宿主基因组包含的与微生物同源的基因序列，特别是与病毒基因序列的同源部分。相应地，微生物组也可分为病毒组、细菌组、古细菌组、真核细胞型微生物组。微生物组推动自然界进化过程的变化近年来受到广泛关注，涉及人体、动物、植物、水体、土壤、大气、农业和水产养殖、环境保护和新能源等诸多方面，目前人体微生物组研究取得的成果最为丰富。

图1 微生物群(A)与微生物组(B)示意图

Fig.1 The stratification of microbiota (A) and microbiome (B)

1 人体微生物群

人体微生物群的概念是从人体正常菌群(norma flora)的认知演变而来。一方面，人体无论是处于健康或亚健康或疾病状态下，菌群都特定存在于人体的某些部位，但多样性和丰度存在差异，因此用中性词“微生物群”或“微生物组”取代“正常菌群”更合理。另一方面，以前对人体微生物的研究仅停留在细菌作用方面，导致目前多数结果来自细菌组与宿主之间的相互作用。自美国病毒防御基金会的Anderson等于2003年提出人类病毒组(human virome)以来，病毒组开始进入微生物组的研究范畴。由于病毒组的加入，人们对微生物组的定义范围已不再局限于体表及某些腔道中，而是对基于基因组序列的信息进行分析和挖掘。但对病毒组的认识才刚刚开始，研究还不够全面系统，下文所述微生物组的研究仍以细菌组为主。

人体微生物群在黏膜器官分布最多，如口腔和肠道。据佐治亚大学的Whitman等估计，人结肠中所含微生物约占人体全部微生物的70%[1-2]。2016年初，魏兹曼研究所的Sender等估算“标准体格”的成年男性结肠中细菌含量约为3.9×1013(人体自身细胞约为3×1013)，而在皮肤、口腔及女性阴道中仅1012左右[3-4]。从种属的水平分析，肠道微生物群个体差异显著，但在门的水平一般保守。人肠道微生物群中丰度最高的是拟杆菌门和厚壁菌门，其次为变形菌门和放线菌门[5]，但其组成和丰度受宿主基因型、进化过程、饮食、地域及人为干预等因素的影响而发生动态变化[6-11]。

2 人体微生物群与宿主的相互作用

人体微生物群与人体的相互作用可概括为：①共进化——通过微生物群与人体之间的基因交流而影响彼此的进化轨迹。2016年德克萨斯大学奥斯汀分校Moeller等揭示了现代人和猿类并非简单地从环境中获得其肠道细菌，这些细菌在人和动物体内与宿主共同演化了数百万年之久并共同进化。②共发育——人体微生物群参与人体发育、生长和衰老的过程(如微生物群能影响幼年时免疫系统的发育及建立[12]；微生物群的某些代谢产物能影响大脑和神经系统的发育和功能；微生物群能影响胃肠道的发育和血管系统的重构[13])。③共代谢——微生物群与宿主对食品和药品代谢的合作深刻影响人类的健康和疾病治疗，特别是对中药的药效影响巨大。肠道微生物群还能通过初级和次级代谢途径产生大量小分子物质(如短链脂肪酸等)，这一生理过程依赖宿主的饮食。虽然这些小分子物质中有很多保留在肠道内，但仍有一些进入循环系统并被宿主化学修饰后发挥重要生理功能[14]。④互调控——微生物组对宿主机体的调控主要涉及免疫系统、神经系统和内分泌系统。微生物组通过多种途径影响三大系统的功能，而机体生理状态的改变又反过来影响微生物组的构成。此外，微生物组与宿主多种器官之间存在重要的联系以相互调控，这种联系包括近年来备受关注的微生物组-肠-脑轴、微生物组-肠-肝轴和微生物组-肠-肺轴[15]。

大量研究表明，微生物组与人体健康和疾病的发生发展密切相关，尤以肠道微生物组最为重要。人体微生物组与哮喘等超敏反应疾病，肥胖、糖尿病、肝脏疾病等代谢相关疾病，心脑血管疾病，肠易激综合征，炎症性肠病，慢性肾病，消化道肿瘤，自闭症、抑郁症及老年痴呆等精神性疾病均相关。表1列出了部分文献报道的与微生物组有关的人类疾病。

表1 人体微生物组相关疾病

Tab.1 Human microbiome-related diseases

BodypartDiseaseReferenceSkinAcneBrüggemannH,etal.SeminCutanMedSurg,2005BrüggemannH,etal.Science,2004Bek-ThomsenM,etal.JClinMicrobiol,2008PsoriasisGaoZ,etal.PLoSOne,2008AlekseyenkoAV,etal.Microbiome,2013SchommerNN,etal.TrendsMicrobiol,2013AtopicdermatitisSchommerNN,etal.TrendsMicrobiol,2013KongHH,etal.TrendsMolMed,2011SeiteS,etal.JDrugsDermatol,2014RosaceaPicardoM,etal.JClinGastroenterol,2014SeborrheicdermatitisSchommerNN,etal.TrendsMicrobiol,2013OralcavityDentalcariesBeckerMR,etal.JClinMicrobiol,2002KanasiE,etal.CariesRes,2010TannerACR,etal.JDentRes,2011GingivitisTrombelliL,etal.PLoSOne,2013PeriapicalinfectionSiqueiraJF,etal.OralSurgOralMedOralPatholOralRadiolEndod,2009RôçasIN,etal.JClinMicrobiol,2008PeriodontaldiseasesZauraE,etal.BMCMicrobiol,2009HuangS,etal.BMCOralHealth,2011KumarPS,etal.JClinMicrobiol,2005HalitosisMurataT,etal.IntDentJ,2002OralsquamouscellcarcinomaMagerD,etal.JTranslMed,2005PushalkarS,etal.FEMSImmunolMedMicrobiol,2011NagyKN,etal.OralOncol,1998DiabetesmellitusHintaoJ,etal.OralMicrobiolImmunol,2007LallaE,etal.JClinPeriodontol,2006CampusG,etal.JPeriodontol,2005AtherosclerosisFigueroE,etal.JPeriodontol,2011FordPJ,etal.OralMicrobiolImmunol,2005KorenO,etal.ProcNatlAcadSciUSA,2011BacteremiaFornerL,etal.JClinPeriodontol,2006ObesityGoodsonJM,etal.JDentRes,2009Gastrointestinal tractAllergyLyNP,etal.JAllergyClinImmunol,2011

(续表)

3 人体微生物组的干预

微生物群失调可能是由遗传倾向、感染、饮食和营养状况改变及抗生素使用等导致[13]。改善肠道微生物组的方法主要有4种。①饮食调理：饮食显著影响肠道微生物群的组成，进而影响宿主的生理和免疫系统功能，以及对感染性疾病的敏感性[16]。②补充、添加有益菌或有益菌的活性产物：如益生元(prebiotics)、益生菌/益生生物(probiotics)和促生元(postbiotics)。近年来有研究证明益生菌能有效调节肠道菌群，对治疗腹泻、肠易激综合征、过敏性疾病、艰难梭菌感染等疾病有一定的作用[17-18]。益生元能刺激体内特定益生菌的增殖[19]，而促生元为益生菌产生的能正向调节生命活动的可溶性物质。但益生菌、益生元和促生元对特定疾病的作用尚需更多的随机控制试验来检测和验证。益生菌使用存在的安全性问题亦应重视[20]，对于免疫功能缺陷或有肠漏症的人群不建议采用。③减少有害菌：抗生素的使用不仅会产生细菌耐药，还会干扰正常菌群，导致机会性致病菌的定植和致病，如艰难梭菌感染。噬菌体仅对个别菌株具有高度的特异性，能感染并裂解这些特定的靶细菌，且对动植物无毒害作用，因而被认为是抗菌治疗的候选“药物”[21]。目前，噬菌体疗法已在控制幽门螺杆菌、艰难梭菌和具核梭杆菌等病原菌的感染中开展研究。④微生物群的置换：通过粪菌移植，将健康人粪便中的功能菌群移植到患者胃肠道内，重建新的肠道菌群，实现肠道及肠道外疾病的治疗。粪菌移植第1次在现代医学中应用是1958年Eiseman等用于治疗假膜性肠炎[22]。目前，国内外已有很多利用粪菌移植成功治疗感染性疾病或缓解疾病症状的成功案例，包括炎症性肠病、肠易激综合征、代谢综合征等。但粪便成分复杂，某些潜在的抗原成分被易感人群识别后可能导致机体产生疾病。

4 问题与挑战

国际上有研究团队对人体微生物群中的部分微生物进行分离和培养[27]，并提出培养组学(culturomics)的概念。但在培养方法尚未完善和普及之前，大多数人体微生物难以分离和进行体外培养。在此背景下，宏基因组和16S测序技术在肠道微生物群的研究中仍将发挥关键作用；同时，随着与之配套的生物信息学技术的不断更新及完善，微生物组的神秘面纱正在逐步揭开。正如人体基因组的发展历程，目前这些研究只是全面认识人体微生物群的开始，通过测序获得的微生物组数据和知识仅为微生物群的部分间接数据和结果。在人体微生物群研究领域，目前亟待解决的问题主要有6类。①基础研究技术的发展，包括培养组学，研究进化、发育等的动物模型，特别是微生物群单细胞测序、微生物群单细胞成像、微生物群单细胞分选培养等精细研究技术。②微生物群相关数据的规范和深度挖掘；新的分析方法的建立，特别是病毒组研究技术瓶颈的突破。③微生物群与宿主机体相互作用的研究，特别是微生物群与人类共进化和共发育的规律；研究人体微生物群导致人类疾病的机制，如精神疾病等；在强化肠道微生物群功能研究的同时，重点开展肺微生物群研究。④以微生物群为靶标的疾病诊断技术和产品，特别是人工智能与诊断标准优化相结合的精准医学诊断技术体系的建立。⑤以微生物群为靶标的干预技术和产品，包括天然健康微生物群的人工培养及人工合成微生物群扩增技术的研发；新型益生元、益生菌(含噬菌体产品)和促生元等产品的研制。⑥各类微生物群相关诊断和干预技术，或产品有效性、安全性和质量控制的管理规范。

继2007年美国国立卫生研究院(National Institutes of Health，NIH)启动“人类微生物组计划”以来，经过10年的发展，在人类有关微生物组研究取得突破性进展的同时，2016年5月13日美国政府宣布启动“国家微生物组计划”，这标志着微生物组研究开始由人体逐渐拓展到人类社会的各个层面，包括自然界的大气、水体和土壤。我国也围绕这一主题先后召开了“双清论坛(2015)”“香山会议(2016)”和“国际工程科技发展战略高端论坛(2017)”。这些计划必将推动人类对世界认识和改造的又一次跨越式发展。

[1] Ley RE, Peterson DA, Gordon JI. Ecological and evolutionary forces shaping microbial diversity in the human intestine [J]. Cell, 2006, 124(4): 837-848.

[2] Whitman WB, Coleman DC, Wiebe WJ. Prokaryotes: the unseen majority [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1998, 95(12): 6578-6583.

[3] Sender R, Fuchs S, Milo R. Are we really vastly outnumbered? Revisiting the ratio of bacterial to host cells in humans [J]. Cell, 2016,164(3): 337-340.

[4] Sender R, Fuchs S, Milo R. Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body [J]. PLoS Biol, 2016, 14(8): e1002533.

[5] Bäumler AJ, Sperandio V. Interactions between the microbiota and pathogenic bacteria in the gut [J]. Nature, 2016, 535(7610): 85-93.

[6] Goodrich JK, Waters JL, Poole AC, Sutter JL, Koren O, Blekhman R, Beaumont M, Van Treuren W, Knight R, Bell JT, Spector TD, Clark AG, Ley RE. Human genetics shape the gut microbiome [J]. Cell, 2014, 159(4): 789-799.

[7] Ochman H, Worobey M, Kuo CH, Ndjango JB, Peeters M, Hahn BH, Hugenholtz P. Evolutionary relationships of wild hominids recapitulated by gut microbial communities [J]. PLoS Biol, 2010, 8(11): e1000546.

[8] Moeller AH, Li Y, Mpoudi Ngole E, Ahuka-Mundeke S, Lonsdorf EV, Pusey AE, Peeters M, Hahn BH, Ochman H. Rapid changes in the gut microbiome during human evolution [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111(46): 16431-16435.

[9] David LA, Maurice CF, Carmody RN, Gootenberg DB, Button JE, Wolfe BE, Ling AV, Devlin AS, Varma Y, Fischbach MA, Biddinger SB, Dutton RJ, Turnbaugh PJ. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome [J]. Nature, 2014, 505(7484): 559-563.

[10] Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, Trehan I, Dominguez-Bello MG, Contreras M, Magris M, Hidalgo G, Baldassano RN, Anokhin AP, Heath AC, Warner B, Reeder J, Kuczynski J, Caporaso JG, Lozupone CA, Lauber C, Clemente JC, Knights D, Knight R, Gordon JI. Human gut microbiome viewed across age and geography [J]. Nature, 2012, 486(7402): 222-227.

[11] Forslund K, Sunagawa S, Kultima JR, Mende DR, Arumugam M, Typas A, Bork P. Country-specific antibiotic use practices impact the human gut resistome [J]. Genome Res, 2013, 23(7): 1163-1169.

[12] Hooper LV, Littman DR, Macpherson AJ. Interactions between the microbiota and the immune system [J]. Science, 2012, 336(6086): 1268-1273.

[13] Sommer F, Bäckhed F. The gut microbiota—masters of host development and physiology [J]. Nat Rev Microbiol, 2013, 11(4): 227-238.

[14] Sonnenburg JL, Bäckhed F. Diet-microbiota interactions as moderators of human metabolism [J]. Nature, 2016, 535(7610): 56-64.

[15] Cooke KR, Hill GR, Gerbitz A, Kobzik L, Martin TR, Crawford JM, Brewer JP, Ferrara JL. Hyporesponsiveness of donor cells to lipopolysaccharide stimulation reduces the severity of experimental idiopathic pneumonia syndrome: potential role for a gut-lung axis of inflammation [J]. J Immunol, 2000, 165(11): 6612-6619.

[16] Honda K, Littman DR. The microbiota in adaptive immune homeostasis and disease [J]. Nature, 2016, 535(7610): 75-84.

[17] Kalliomäki M, Salminen S, Arvilommi H, Kero P, Koskinen P, Isolauri E. Probiotics in primary prevention of atopic disease: a randomised placebo-controlled trial [J]. Lancet, 2001, 357(9262): 1076-1079.

[18] McFarland LV. Meta-analysis of probiotics for the prevention of antibiotic associated diarrhea and the treatment of Clostridium difficile disease [J]. Am J Gastroenterol, 2006, 101(4): 812-822.

[19] Katsnelson A. Core Concept: Prebiotics gain prominence but remain poorly defined [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2016, 113(50): 14168-14169.

[20] Sanders ME, Akkermans LM, Haller D, Hammerman C, Heimbach J, Hörmannsperger G, Huys G, Levy DD, Lutgendorff F, Mack D, Phothirath P, Solano-Aguilar G, Vaughan E. Safety assessment of probiotics for human use [J]. Gut Microbes, 2010, 1(3): 164-185.

[21] Summers WC. Bacteriophage therapy [J]. Annu Rev Microbiol, 2001, 55: 437-451.

[22] Eiseman B, Silen W, Bascom GS, Kauvar AJ. Fecal enema as an adjunct in the treatment of pseudomembranous enterocolitis [J]. Surgery, 1958, 44(5): 854-859.

[23] Li M, Wang B, Zhang M, Rantalainen M, Wang S, Zhou H, Zhang Y, Shen J, Pang X, Zhang M, Wei H, Chen Y, Lu H, Zuo J, Su M, Qiu Y, Jia W, Xiao C, Smith LM, Yang S, Holmes E, Tang H, Zhao G, Nicholson JK, Li L, Zhao L. Symbiotic gut microbes modulate human metabolic phenotypes [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(6): 2117-2122.

[24] Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, Nielsen T, Pons N, Levenez F, Yamada T, Mende DR, Li J, Xu J, Li S, Li D, Cao J, Wang B, Liang H, Zheng H, Xie Y, Tap J, Lepage P, Bertalan M, Batto JM, Hansen T, Le Paslier D, Linneberg A, Nielsen HB, Pelletier E, Renault P, Sicheritz-Ponten T, Turner K, Zhu H, Yu C, Li S, Jian M, Zhou Y, Li Y, Zhang X, Li S, Qin N, Yang H, Wang J, Brunak S, Doré J, Guarner F, Kristiansen K, Pedersen O, Parkhill J, Weissenbach J; MetaHIT Consortium; Bork P, Ehrlich SD, Wang J. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing [J]. Nature, 2010, 464(7285): 59-65.

[25] Zhang ZY, Liu C, Zhu YZ, Wei YX, Tian F, Zhao GP, Guo XK. Safety assessment of Lactobacillus plantarum JDM1 based on the complete genome [J]. Int J Food Microbiol, 2012, 153(1-2): 166-170.

[26] Fei N, Zhao L. An opportunistic pathogen isolated from the gut of an obese human causes obesity in germfree mice [J]. ISME J, 2013, 7(4): 880-884.

[27] Browne HP, Forster SC, Anonye BO, Kumar N, Neville BA, Stares MD, Goulding D, Lawley TD. Culturing of ‘unculturable’human microbiota reveals novel taxa and extensive sporulation [J]. Nature, 2016, 533(7604): 543-546.

“一健康基金”成立

本刊主编闻玉梅院士及其丈夫宁寿葆教授以个人名义捐赠的“一健康基金”于2013年1月16日在复旦大学上海医学院正式成立。

“一健康”，是英文“One Health”的中文缩写，意指“一体化健康”。它突出了人的健康是一个“系统工程”，需要整合基础医学、临床医学、公共卫生学、药学、生命科学和人文社会科学等诸多学科共同研究与实施保障。也就是说，人类健康问题绝不仅仅是医学的事、医生的事，而是涉及多个学科交叉的系统性科学领域，是“一体化”事业。

“一健康基金”，就是为了在中国大力倡导“一体化健康”的理念，鼓励更多的医科教师和学生开拓跨学科的视野，主动融合其他学科，一齐致力于“一体化健康”的创新性教学、科研和人才培养，从而更好地服务于人群的整体健康。

例如，在微生物传染病的防控中，“一体化健康”理念要求医学学者联合人及动物微生物学、临床微生物学、环境微生物学、感染病学与流行病学等其他领域的力量，共同为控制传染与感染性疾病的蔓延作出贡献。上述各领域的整合不仅可在研究、检测技术方面互相借鉴，更重要的是通过微生物学各分支间的相互沟通能聚集科学问题，对从个体患者拓展至公共卫生群体健康的重要问题提出解决措施。

据介绍，复旦大学“一健康基金”将以留本基金的方式，每年奖励在微生物学、传染病学、公共卫生学、药学等领域为“一体化健康”研究与教学作出突出成绩的品学兼优的学生和教师。奖励对象每年将由相关学者和专家评出。

《微生物与感染》编辑部

. GUO Xiaokui, E-mail: xkguo@shsmu.edu.cn

Human microbiota and microbiome

GUO Xiaokui

Department of Immunity and Microbiology, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200025, China

Microbiota/microbiome has been one of the lead topics in science these years, and its impact on host health and disease became a frontier scientific issue. Albeit a large number of laboratories around the world are focusing on this task, most of the researches are lack of detailed mechanisms. In this review, we clarify and illustrate the concepts of microbiota/microbiome. We sketch the interaction mode of human microbiota with the host, and list the diseases which have been reported in the past. In addition, six critical issues are put forward, and the direction of this field is prospected.

Microbiota; Microbiome; Microbiota regulation

国家科技支撑计划(2012EP001004)

郭晓奎

2017-02-27)