生信草堂
“燃爆了”!近幾年來(lái)，憑借著“測(cè)序技術(shù)”的快速發(fā)展和“無(wú)菌鼠”的成功應(yīng)用，腸道菌群的研究真可謂倍道而進(jìn)。這期推文就帶領(lǐng)大家一起來(lái)扒一扒腸道微生態(tài)，是如何從微不足道的生物群體演變成見(jiàn)微知著的研究熱點(diǎn)的。
“它的前半生”研究簡(jiǎn)史
2006年，《Science》再次發(fā)文，該文章收集2個(gè)健康成人的腸道內(nèi)容物進(jìn)行了全微生物基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)腸道微生物組富含糖、氨基酸和外源性物質(zhì)代謝的相關(guān)基因。
上述2項(xiàng)研究擴(kuò)寬了人們對(duì)腸道微生物組成和重要功能的認(rèn)識(shí)，揭開了人類腸道元基因組學(xué)的序幕，為后續(xù)的研究提供了方法學(xué)的支持和新的研究方向。
從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，與依賴于微生物的體外培養(yǎng)、PCR擴(kuò)展和核酸膠電泳的傳統(tǒng)研究不同，腸道微生態(tài)研究的飛速發(fā)展在很大程度上得益于多組學(xué)測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展以及交叉學(xué)科的融合。
技術(shù)發(fā)展
21世紀(jì)初，二代測(cè)序儀器研發(fā)勢(shì)頭火熱，新方法新技術(shù)層出不窮，誕生了一批以Roche公司的454技術(shù)、illumina公司的Solexa，Hiseq技術(shù)，ABI公司的Solid技術(shù)為代表的第二代測(cè)序技術(shù)。
2005年，生命技術(shù)公司454 推出了首臺(tái)商業(yè)化的 DNA 測(cè)序儀，即基于焦磷酸測(cè)序法的高通量基因組測(cè)序系統(tǒng)“Genome Sequencer 20 System”，其測(cè)序能力一天已達(dá)到2000萬(wàn)個(gè)堿基，成為邊測(cè)序邊合成(sequencing-by-synthesis)的首例，這一里程碑事件也標(biāo)記著DNA測(cè)序正式走向歷史的舞臺(tái)。
2006年，Solexa公司推出Genome Analyzer測(cè)序儀；2007年Illumina公司重金收購(gòu)Solexa公司，而當(dāng)時(shí)Illumina公司旗下的Hiseq 2000測(cè)序儀每天的數(shù)據(jù)輸出量約30Gb以上，堿基的平均讀取長(zhǎng)度可達(dá)150bp左右。第二代測(cè)序技術(shù)呈現(xiàn)突飛猛進(jìn)之勢(shì)，其為測(cè)序領(lǐng)域帶來(lái)革命性的突破。
正是依賴于測(cè)序技術(shù)的不斷革新和性能優(yōu)化：測(cè)序儀讀長(zhǎng)增加、數(shù)據(jù)通量變大以及價(jià)格逐年降低，科研人員可以簡(jiǎn)單、快速、全面地了解腸道微生物的組成和功能。
相關(guān)國(guó)際項(xiàng)目
全球范圍內(nèi)也開展了大規(guī)模的項(xiàng)目來(lái)支持腸道微生態(tài)的研究。
人類微生物組項(xiàng)目(HMP)是2007年由美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院(NIH)倡議，其目的是鑒定和表征與健康和病人相關(guān)的微生物。HMP強(qiáng)調(diào)5個(gè)身體部位的微生物學(xué)特征分析：口腔，皮膚，陰道，腸道和鼻/肺。2012年6月13日，人類微生物項(xiàng)目(HMP)繪制了健康人的正常微生物組成，而且構(gòu)建了基于多組學(xué)的微生物、人類基因組和代謝組的參考數(shù)據(jù)集，成為HMP的一個(gè)重大里程碑。
人類腸道元基因組計(jì)劃(MetaHIT)是2008年由歐盟委員會(huì)資助的子項(xiàng)目，致力于對(duì)胃腸道細(xì)菌的深度和系統(tǒng)發(fā)育多樣性進(jìn)行分類，建立人腸道微生物基因與人體健康和疾病的關(guān)系。
美國(guó)國(guó)家微生物組計(jì)劃(NMI)是2015年是美國(guó)白宮繼腦計(jì)劃、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)之后推出的又一個(gè)重大國(guó)家科研計(jì)劃，以支持研究人體和其他不同生態(tài)系統(tǒng)中存在的微生物，以更好地了解微生物組在人類和環(huán)境健康方面的作用。NMI的目標(biāo)是支持基礎(chǔ)研究，開發(fā)新技術(shù)，并吸引更多的人。
2017年，我國(guó)中共科學(xué)技術(shù)部黨組深入貫徹落實(shí)黨的十八屆六中全會(huì)精神，提出發(fā)展重大顛覆性技術(shù)的意見(jiàn)，即著眼國(guó)家未來(lái)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，在微生物組、人工智能、深地等領(lǐng)域，創(chuàng)新組織模式和管理機(jī)制，部署若干重大項(xiàng)目，加強(qiáng)原創(chuàng)性科學(xué)基礎(chǔ)研究，積極推動(dòng)技術(shù)突破。
研究進(jìn)展
新一代測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)分析的結(jié)合，能夠得到腸道微生物與宿主的復(fù)雜相互作用的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)宿主-微生物群相互作用機(jī)理的解剖。近10年來(lái)，測(cè)序技術(shù)對(duì)腸道菌群研究的推進(jìn)作用，使腸道菌群研究相關(guān)的高影響力文章呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，僅2015年，CNS及其子刊中涉及腸道菌群的文章數(shù)量達(dá)到了52篇。越來(lái)越多的研究表明，腸道菌群涉及到宿主的方方面面，例如機(jī)體免疫、代謝性疾病、情緒和記憶力等等。
肥胖
諸多以小鼠為模型，應(yīng)用元基因組學(xué)方法的研究表明腸道微生物與肥胖息息相關(guān)，利用454 pirosequencing技術(shù)揭示了人體腸道微生態(tài)與肥胖的“密切關(guān)系”。研究表明“胖子”的腸道菌群和“瘦子”的菌群存在明顯的差異。肥胖個(gè)體腸道菌群中擬桿菌門的數(shù)量比正常人少，而史氏甲烷短桿菌、厚壁菌門較多。這類細(xì)菌又被形象地稱為“肥胖型細(xì)菌”，“肥胖型細(xì)菌”通過(guò)提高食物的利用率來(lái)達(dá)到增加體內(nèi)脂肪聚集和體重的作用。另外，腸道細(xì)菌中的陰性菌的脂多糖是一類內(nèi)毒素分子，可以穿過(guò)腸道黏膜屏障進(jìn)入血液，引發(fā)內(nèi)毒素血癥和低度炎癥反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致肥胖。研究發(fā)現(xiàn)，將一對(duì)一胖一瘦同卵雙胞胎的糞便菌群分別移植入無(wú)菌受體小鼠，給予15天的低脂飲食，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接受肥胖者糞便移植的小鼠變成了“胖鼠”，這一發(fā)現(xiàn)為腸道菌群與肥胖的相關(guān)性提供了證據(jù)。
代謝綜合征
代謝綜合征患者的腸道微生物多樣性遠(yuǎn)低于健康個(gè)體，并且腸道菌群分類的豐度與代謝綜合征狀態(tài)相關(guān)。具體表現(xiàn)為代謝綜合征組患者其Sutterella, Methanobrevibacter和Lactobacillus含量高，健康人群中Akkermansia, Odoribacter和Bifidobacterium含量高。雙歧桿菌屬的放線菌具有最高的遺傳力(45.7%)。放線菌和雙歧桿菌含量降低與載脂蛋白(APOA5)基因單核苷酸多態(tài)性(SNP) rs651821等位基因顯著相關(guān)，表明宿主基因型可以特異性介導(dǎo)微生物組成的變化，進(jìn)而導(dǎo)致代謝綜合征。
免疫系統(tǒng)
菌群對(duì)宿主免疫系統(tǒng)的影響巨大，研究表明絲狀細(xì)菌(SFB)、不動(dòng)桿菌、脆弱擬桿菌及變形桿菌等在腸道中具有調(diào)節(jié)免疫功能。正常情況下，腸道的物理化學(xué)屏障可以有效的將免疫細(xì)胞和菌群隔離開來(lái)，限制不必要的免疫激活反應(yīng)。但是部分共生菌，例如，脆弱性脆弱桿菌可與腸上皮細(xì)胞結(jié)合，其莢膜多糖A通過(guò)Foxp3+CD4+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子IL-10的產(chǎn)生，從而促進(jìn)細(xì)菌的定植和有益的免疫抑制功能。腸內(nèi)SFB定植可以誘導(dǎo)RORγt+IL-17+輔助性T細(xì)胞(TH17)免疫反應(yīng)，從而保護(hù)小鼠免受病原菌檸檬酸桿菌的感染。類似地，梭菌屬和人共生體梭狀芽孢桿菌是結(jié)腸Treg細(xì)胞的有效誘導(dǎo)微生物。T細(xì)胞依賴性的免疫球蛋白A(IgA)產(chǎn)生由上皮相關(guān)共生細(xì)菌激活。這些研究強(qiáng)調(diào)了共生微生物群對(duì)免疫系統(tǒng)的重要性。同時(shí)，適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的主要工作除了抵抗破壞生態(tài)系統(tǒng)的病原體，還可能調(diào)控微生物群落中共生的有益微生物。
神經(jīng)精神活動(dòng)
腸道菌群還可通過(guò)代謝產(chǎn)物、刺激免疫細(xì)胞分泌細(xì)胞因子、誘導(dǎo)腸內(nèi)分泌細(xì)胞產(chǎn)生5-HT進(jìn)入人體的血液、免疫和神經(jīng)等信號(hào)通路，將菌群的功能傳導(dǎo)到大腦等遠(yuǎn)端器官，進(jìn)而調(diào)節(jié)大腦活動(dòng)，最終影響人的行為、情緒和記憶等活動(dòng)。多動(dòng)癥、自閉癥和抑郁癥等心理疾病與腸道異常微生物相關(guān)聯(lián)。自閉癥兒童具有獨(dú)特的腸型，其腸道中的擬桿菌屬和瘤胃球菌屬含量豐富，而普氏菌屬較為缺乏。抑郁癥患者的雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量明顯少于健康人群。2017年，《BIOLOGICAL PSYCHIATRY》發(fā)文首次明確嬰兒腸道菌群與認(rèn)知能力的強(qiáng)關(guān)聯(lián)！研究通過(guò)16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序?qū)雰旱募?xì)菌分類群進(jìn)行鑒定和相對(duì)定量，通過(guò)聚類分析確定了3組腸道菌群組成有差異的嬰兒。較高的菌群α多樣性與2歲時(shí)的綜合測(cè)評(píng)，視覺(jué)感知范圍和語(yǔ)言表達(dá)水平的得分較低有關(guān)。
--總結(jié)--
鑒于腸道菌群與宿主的健康和疾病狀態(tài)的強(qiáng)相關(guān)性，腸道菌群也成為了眾多疾病的藥物治療靶點(diǎn)。高通量測(cè)序、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物信息學(xué)在人體健康及生物領(lǐng)域的應(yīng)用研究促進(jìn)以人體微生物組為研究對(duì)象的相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如微生物治療、微生物組檢測(cè)和菌群移植。菌群移植主要是將健康志愿者的腸道菌群轉(zhuǎn)移到病人腸道中來(lái)修復(fù)患者的菌群系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)腸道及腸道外疾病的治療。研究發(fā)現(xiàn)菌群移植技術(shù)可以治療艱難梭菌感染，對(duì)結(jié)腸炎也具有較好的療效。將最前沿的基因組學(xué)科研成果應(yīng)用于疾病診斷、健康管理及精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，從健康體檢開始，通過(guò)菌群檢測(cè)、差異菌群分析和設(shè)計(jì)個(gè)體化的治療方案，開創(chuàng)了全新的健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。
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