方 圓，潘元龍，朱寶利

1中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)院基本外科，北京 100730 2中國科學院微生物研究所，北京 100101

微生物組(Microbiome) 是指特定生境中的全部微生物及其遺傳信息[1-2]，微生物組的研究對象是微生物群，研究內(nèi)容包括通過微生物基因測序和分析進行微生物物種鑒定和功能基因鑒定，確定微生物群體的多樣性、種群結構、進化關系及其與環(huán)境的相互作用。

當前研究數(shù)據(jù)顯示，人類基因組千分之一的差異可導致人群中2%～5%的個體發(fā)生遺傳性疾病，而人體微生物組20%～30%的差異可造成人群中30%～50%的個體產(chǎn)生各種各樣的健康問題，其中大部分為慢性疾病，少部分可引發(fā)癌癥[3]。從遺傳角度看，基因組決定了人體健康的基礎，而微生物組則決定了人的健康狀態(tài)。由于基因個體差異和基因突變并不能完全解釋疾病的發(fā)生和發(fā)展過程，因此人體微生物組被視為人體的第二基因組。本文將概述國內(nèi)外人體腸道微生物組與疾病研究現(xiàn)狀，并對我國該領域未來發(fā)展所面臨的機遇與挑戰(zhàn)作一展望。

1 國外人體微生物組研究現(xiàn)狀

1.1 概念溯源

20世紀90年代末，美國分子微生態(tài)學家Jo Handelsman教授提出了元基因組(宏基因組)的概念[4]。2001年，當人類基因組草圖完成后，美國微生物協(xié)會會長Julian Davis教授指出，僅僅了解人體自身的基因組對于人類疾病的研究來說遠遠不夠，因為人體腸道內(nèi)棲息著數(shù)以百萬億計的共生微生物，腸道菌群的基因組總和約是人類基因組的300倍，對人體健康的影響甚至大于人體自身基因組。同年，美國遺傳學家、諾貝爾獎獲得者Joshua Lederberg把人體微生物基因組的總和稱為“人體微生物組”。隨后，斯坦福大學David Relman教授在人體微生物組基礎上提出了“人體第二基因組”的概念，至此開啟了人體微生物組研究的新篇章。

1.2 人類微生物組計劃及其研究成果

近20年來，人體微生物組相關研究持續(xù)升溫，逐漸成為生命科學、環(huán)境科學和醫(yī)學等領域的焦點，全球多個國家爭相發(fā)起了國家級微生物組研究計劃。2001年，美國率先提出人類微生物組計劃(Human Microbiome Project，HMP)，并于2007年正式啟動，重點關注人體微生物組基礎數(shù)據(jù)的收集[5-6]；歐盟緊隨其后，于2008年啟動了人類腸道元基因組計劃(Metagenomics of the Human Intestinal Tract，MetaHIT)[7-8]，探究人體疾病、健康狀態(tài)與微生物組的相關性。2012—2014年，美國和歐盟相繼啟動了第二輪微生物組研究計劃，即美國的整合人類微生物組計劃(Integrated Human Microbiome Project，iHMP)[6]、微生物組質(zhì)量控制計劃 (The Microbiome Quality Control Project，MBQC)[9]和歐盟的MetaGenoPolis(MGP)計劃，研究重點由人體共生微生物群的組成與疾病健康的相關性向揭示人體微生物組與特定疾病的因果機制轉(zhuǎn)變，應用導向更加明確，研究層次更為深入；同時，MBQC和MGP還關注糞便樣本標準化管理，以及元基因組高通量測序、數(shù)據(jù)挖掘和元基因組功能性研究，為人體微生物組研究的標準化、流程化奠定了基礎[9]。

人體微生物組研究的共性和核心科學問題是人體健康狀態(tài)下微生物組與宿主相互作用的平衡機制，以及識別打破該平衡并引起疾病的核心菌群。鑒于腸道微生物樣本具有易獲得性、高多樣性、高豐富度的特點，目前人體微生物組研究主要集中于腸道微生物。2005年，David Relman實驗室采用第一代測序技術分析了健康受試者的結腸黏膜微生物和糞便微生物，第一次成功描繪了人體腸道微生物的組成和物種分類概況，證實了人體腸道內(nèi)約有400種不同的共生細菌，其中80%的細菌是尚不能培養(yǎng)的物種[10-11]。隨后，Jeffrey Gordon實驗室通過動物實驗證明了腸道微生物是影響宿主從飲食中獲取能量和儲存能量的重要環(huán)境因素，強調(diào)了肥胖癥與腸道菌群的關聯(lián)性[12]。

在這2項重要研究成果的基礎上，大規(guī)模的隊列研究出于建立人體健康基線的目的相繼開展。2012—2014年，美國HMP第一批成果在Nature發(fā)表，揭示了不同人群皮膚、鼻腔、口腔、胃腸道和泌尿生殖道的微生物組成[5,13]。2017年，HMP第二批成果在Nature發(fā)表，構建了美國265人778萬個基因數(shù)據(jù)集[14]。2019年，iHMP發(fā)表了婦女微生物組(包括生殖道、口鼻腔、直腸、皮膚、血液、尿液、臍帶、胎糞等不同組織)菌群數(shù)據(jù)和基因數(shù)據(jù)集，明確了孕婦腸道微生物組與早產(chǎn)風險的相關性[6]。

健康人體微生物組平衡狀態(tài)下的關鍵菌群是動態(tài)的，受遺傳因素、飲食習慣、生活環(huán)境和年齡的影響。在遺傳背景與腸道微生物組相關性研究方面，歐洲大規(guī)模隊列研究發(fā)現(xiàn)多個與腸道微生物相關的遺傳位點，如ABO血型基因[15]、LCT乳糖酶基因[16]。在飲食習慣和生活環(huán)境對人體腸道微生物組的影響方面，西班牙等國家對地中海飲食結構與健康的相關性進行了大規(guī)模研究，發(fā)現(xiàn)地中海地區(qū)的飲食習慣可通過影響腸道菌群明顯降低心腦血管疾病發(fā)病率，提高人均壽命[17-19]。

1.3 多組學大數(shù)據(jù)研究

微生物組學數(shù)據(jù)需與基因組學、表型組學等其他數(shù)據(jù)共同分析方能揭示微生物的作用。但微生物組學數(shù)據(jù)異質(zhì)性較高，應用傳統(tǒng)的統(tǒng)計學方法分析該類數(shù)據(jù)常會得到錯誤、過擬合或誤導性結果，故新一代整合多組學分析的生物信息學方法應運而生，包括人工智能算法，以服務于健康基線大數(shù)據(jù)庫的標準化建設等。例如，魏茲曼科學研究所的個體化營養(yǎng)計劃(Personalized Nutrition Project)，其利用機器學習方法，通過整合基礎身體測量數(shù)據(jù)，記錄飲食、運動、睡眠情況，分析腸道微生物組的構成，收集一段時間內(nèi)的連續(xù)血糖數(shù)據(jù)構建模型，預測每一個體食用不同食物后的血糖變化情況，在此基礎上實現(xiàn)對糖尿病或糖尿病前期患者更好的飲食調(diào)節(jié)指導[20]。歐盟資助的 ML4Microbiome 項目則致力于建立標準數(shù)據(jù)集，并開發(fā)針對微生物組數(shù)據(jù)的新統(tǒng)計方法和機器學習算法[21-22]。最近，荷蘭格羅寧根大學開發(fā)的微生物組指紋算法可快速建立宿主遺傳背景、微生物組和表型組的相互作用關系，標志著新一代微生物組大數(shù)據(jù)分析方法的開始[23]。

2 我國人體微生物組研究現(xiàn)狀、機遇與挑戰(zhàn)

2.1 研究現(xiàn)狀

我國的人體微生物組研究一直緊跟國際前沿。2007年起，我國相繼開展了多項小規(guī)模健康與疾病人群腸道微生物組研究，并與歐美等國家合作建立了人體微生物組數(shù)據(jù)庫[8]，參與單位包括華大基因研究院、浙江大學醫(yī)學院、中國科學院微生物研究所、上海交通大學等，初步揭示了我國不同遺傳背景、不同生活環(huán)境和飲食結構人群的健康與疾病腸道微生物組關鍵菌群和功能。

2010年，華大基因研究院與歐盟合作發(fā)表了世界第一個人體腸道微生物組基因數(shù)據(jù)集[8]。2014年，浙江大學發(fā)表了第一個肝病腸道微生物組研究[24]。2015年，北京協(xié)和醫(yī)院發(fā)表了腸道微生態(tài)與類風濕疾病的關聯(lián)性研究[25]。2017年，上海交通大學發(fā)表了腸道微生物在結直腸癌治療中的耐藥作用機制研究[26]；同年，香港中文大學發(fā)表了結直腸癌與腸道微生物組的致病性研究[27]。2019年，華大基因研究院在人體腸道微生物培養(yǎng)組學方面發(fā)表了突破性研究成果[28]。中國科學院北京生命科學院在微生物組學分析方法與技術研究方面同樣實現(xiàn)了多項研究的重要突破[29-30]，其中包括人體微生物組數(shù)據(jù)挖掘算法在口腔、母嬰及生殖道菌群分析方面的應用，并期待未來在萬人級健康人群隊列研究中，特別是在人體微生物組菌群與遺傳背景、生活環(huán)境和飲食習慣等大數(shù)據(jù)相關性的計算和特征數(shù)據(jù)提取方面，得到更好的應用和實踐。

從涉及的研究領域看，我國人體微生物組研究主要集中于腸道菌群與疾病的關系方面。此外，微生物組的方法學研究亦較為突出，其中包括大規(guī)模人群基因數(shù)據(jù)集的計算方法[31]、人體微生物組基因數(shù)據(jù)集構建等。

2.2 機遇

從人類微生物組領域發(fā)展角度看，我國微生物組研究正邁向一個新的臺階，并將迎來前所未有的發(fā)展機遇。

第一，大規(guī)模人群研究為解釋不同地區(qū)、不同人群微生物組的時空多樣性提供了前所未有的細節(jié)，為建立人體健康腸道微生物組基線提供了可行性。人體健康微生物組基線是研究人體微生物組與疾病等相關領域的基礎，涉及范圍包括不同年齡段、不同民族(種族)、不同地域、不同生活環(huán)境以及不同身體部位的微生物組在健康狀態(tài)下的菌群結構組成。人體健康微生物組基線將為用于診斷、篩檢的生物標志物的發(fā)現(xiàn)奠定基礎，同時也為身體不同部位微生物組的差異及相互作用機制研究提供標準值。

第二，人們對待微生物組的認知正在從“影響人類健康和疾病”向“視人體微生物組為器官”轉(zhuǎn)變。例如，腸道微生物組與全身各個系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展均存在著密切關聯(lián)，因此“腸-腦軸”[32-33]“腸-肝軸”[34]“腸-肺軸”[35]等概念相繼被提出，聚焦于腸道微生物組與腦、肝臟、肺等組織器官之間的信號通路和代謝物傳遞，并解析其相互作用機制。腸道微生物組與人類健康和疾病的研究亦從“相關性研究”逐漸上升至“因果機制研究”，腸道微生物組小分子代謝物對疾病發(fā)生發(fā)展的關鍵調(diào)控作用的解析將改寫人們對慢性疾病和癌癥發(fā)生發(fā)展的認知，將人體腸道微生物組研究的重要性提升至更高的層次。

第三，人類腸道微生物組與營養(yǎng)和藥物互作關系為個體化營養(yǎng)干預和新療法開發(fā)提供了新思路。例如，基于高膳食纖維營養(yǎng)干預腸道微生物組結構以緩解2型糖尿病病情[36]，腸道微生物組特異菌群在調(diào)節(jié)環(huán)磷酰胺藥物抗癌反應的關鍵作用，以及特異腸道微生物菌群影響癌癥免疫療法細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白4免疫檢查點抑制劑的抗癌作用等[37-38]，證實了癌癥PD-1免疫療法[39-41]、化療藥物的療效與腸道微生物組結構的相關性[42-43]。此外，中藥與腸道微生物組互作關系的揭示也為中藥功效機制提供了直接證據(jù)[44]，推動中藥進一步獲得了國際認可。

第四，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看，人類微生物組的進展為疾病治療和營養(yǎng)干預策略提供了新視角，并已成為制藥、食品和保健品行業(yè)的又一個革命性創(chuàng)新點，其巨大潛力必將引發(fā)全球激烈競爭。人類微生物組產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了傳統(tǒng)制藥、生物技術、食品巨頭爭相布局，科技初創(chuàng)企業(yè)融資不斷升級的競爭格局。對人體微生物組進行科學研究和產(chǎn)品研發(fā)的公司主要涉及4個細分領域：微生物組檢測及健康指導、益生菌與益生元類食品和保健品、糞便微生物移植(因目前研究多集中于腸道菌群，常用“糞菌移植”術語代替)、微生態(tài)藥物。在微生物組重建技術中，人體腸道糞菌移植技術已從個別醫(yī)院轉(zhuǎn)向臨床推廣，且伴隨給藥方式的不斷升級和糞菌移植流程的標準化[45-47]，醫(yī)療市場規(guī)模將進一步擴大。

2.3 挑戰(zhàn)

微生物組學研究引領生物醫(yī)學，是未來生命健康研究領域的競爭熱點，微生物組前沿技術國際競爭不斷加劇。美國當前已將微生物組學研究的政策主導防線前移，主動干預相關領域與歐洲、日本、印度等國家的學術交流，強化與英國、加拿大等英語國家及歐盟國家的合作，主導國際微生物組與生物安全研究的多邊進程，積極營造對重點國家微生物組學研究的“包圍圈”。我國微生物組資源豐富，是微生物組研究的動力，但同時，我國微生物組學、微生物組資源及生物安全綜合研究面臨巨大挑戰(zhàn)。首先，應進一步推進微生物組與人體健康、微生物組與生物安全研究的國家戰(zhàn)略部署，加強相關領域前沿技術研發(fā)的統(tǒng)籌管理，加大科技投入，加強國際合作交流，并將防控關口前移；其次，應構筑微生物組與生物安全體系網(wǎng)，進一步完善法律法規(guī)，走出微生物組與生物安全中國之治，為大眾健康和國家生物安全提供保障。

此外，人體內(nèi)80%以上的微生物仍然未知，故微生物組研究的關鍵是精確識別不同生態(tài)位的關鍵微生物，并深入研究這些關鍵微生物的功能[48]。為此，科研人員需掌握如下2項顛覆性技術：(1)快速和精準識別微生物個體的尖端技術，包括高通量、高速度并適用于微生物組DNA測序的技術，以及大規(guī)模海量微生物組基因分析技術；(2)高通量、高效率未知微生物培養(yǎng)與鑒別技術，包括在現(xiàn)階段微生物培養(yǎng)組學技術基礎上發(fā)展新一代培養(yǎng)組學技術，以滿足大規(guī)模微生物組研究，解析未知微生物在人體的生物學功能。

3 小結與展望

微生物組學是生命科學領域的支柱性學科，涉及生命科學研究的各個領域，也是驅(qū)動未來生命科學領域研究的主導學科。人體微生物組學研究的重點在于人體腸道微生物組基礎圖譜的建設、微生物組核心菌譜研究和微生物組核心前沿技術的研發(fā)，因此，加強人體腸道微生物組研究，推進國家微生物組計劃，加速繪制人體微生物組圖譜至關重要。經(jīng)過十余年的關聯(lián)性研究，未來人體微生物組研究將會更偏向機理，即微生物與宿主的相互作用關系方面，為微生物組在疾病發(fā)生、發(fā)展和治療中的作用提供理論支撐。

作者貢獻：方圓、潘元龍負責文獻查閱、資料收集及論文撰寫；朱寶利負責組織選題及論文審校。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突