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腸道微生物與機體的系統發(fā)育的關(guān)系探究論文
摘要：人類(lèi)微生物組細胞數量是人體細胞的十倍， 其中以腸道微生物最為豐富�；诟咄繙y序等技術(shù)的發(fā)展開(kāi)啟了人類(lèi)腸道宏基因組及其與人類(lèi)宿主關(guān)系的研究。研究顯示， 腸道微生物與機體的系統發(fā)育以及糖尿病、肥胖癥等疾病密切相關(guān)， 未來(lái)腸道微生物的相關(guān)信息有望成為診斷和治療依據。
1 技術(shù)背景
人類(lèi)腸道微生物數量龐大、種類(lèi)繁多， 被稱(chēng)為“第二基因組”, 與機體健康有著(zhù)極為密切的聯(lián)系。近年來(lái)， 腸道菌群研究已成為生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。微生物組研究技術(shù)的迅猛發(fā)展， 使得進(jìn)一步了解腸道微生物與人類(lèi)機體的系統發(fā)育以及健康的關(guān)系成為可能。
腸道菌群的研究主要集中于對腸道中微生物多樣性 （包括數量、種類(lèi)和組成） 的認識。早期主要采用微生物鑒定和分類(lèi)的方法， 在此基礎上進(jìn)一步了解其功能活性， 研究方法如革蘭氏染色法、糖發(fā)酵試驗、IMVi C試驗等：是通過(guò)微生物的分解糖類(lèi)的能力、是否產(chǎn)酸、產(chǎn)氣等理化性質(zhì)進(jìn)行物種的鑒定與分類(lèi)。腸道微生物的研究也正是基于這些技術(shù)手段而逐步發(fā)展起來(lái)的。
微生物普查大約始于25年前。最初使用的方法是16S rRNA基因測序[1], 先利用PCR技術(shù)克隆16S rRNA基因， 再通過(guò)兩到三次Sanger法測序 （一代測序） 完成整個(gè)基因的測序。對不同個(gè)體進(jìn)行比較時(shí)， 只需確定序列的光譜是否相似并判斷差異程度。但Sanger法測序的讀取長(cháng)度僅為幾百個(gè)堿基， 每次只能獲得部分取樣基因的序列， 靈敏度低， 且成本昂貴， 限制了取樣深度， 對低豐度微生物的分析十分有限。目前已開(kāi)發(fā)出了下一代測序技術(shù)， 又稱(chēng)二代測序技術(shù)或高通量測序技術(shù)， 一次可對幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)條核酸分子進(jìn)行序列測定。這種方法快速、經(jīng)濟、通量高， 每個(gè)樣品可產(chǎn)生高達數百萬(wàn)的讀數， 但缺點(diǎn)是讀取長(cháng)度通常非常短[2].隨后又發(fā)展出了三代測序技術(shù)， 這是單分子測序技術(shù)， 測序時(shí)無(wú)需經(jīng)過(guò)PCR擴增， 實(shí)現了對每一條DNA分子的單獨測序。二代測序和三代測序技術(shù)對宏基因組學(xué)研究在廣度上和深度上都產(chǎn)生了巨大的影響， 帶來(lái)了研究方法的變革。
宏基因組研究， 即對整個(gè)群落的DNA進(jìn)行測序， 同時(shí)為編目群落中的生物體、基因和基因組提供更廣泛、復雜的微生物群落信息。高通量測序技術(shù)的出現使得對于一個(gè)物種的轉錄組和基因組進(jìn)行全面深入的分析成為可能， 并允許進(jìn)行更大規模的宏基因組研究。
人類(lèi)腸道微生物的第一次群體規模的宏基因組研究由Meta HIT實(shí)施， 測定了腸道中的1 150種常見(jiàn)菌種、330萬(wàn)個(gè)基因.人類(lèi)微生物組計劃是迄今最大的人類(lèi)微生物組研究， 在Roche-454平臺上靶向16S rRNA基因的V3-V5區域、對健康志愿者樣本進(jìn)行測序， 確定無(wú)疾病個(gè)體微生物多樣性， 通過(guò)16S擴增子測序分析和宏基因組測序確定群落組成和功能， 鑒定了超過(guò)1 000萬(wàn)個(gè)基因， 將Meta HIT腸基因編目擴展了近180萬(wàn)個(gè)， 還檢測了各個(gè)身體部位之間的微生物關(guān)聯(lián).人類(lèi)微生物組含有3 500至35 000個(gè)物種水平的運算分類(lèi)單位 （OTU） .胃腸道 （包括口腔和糞便） 是采樣部位中微生物最多樣化的， 2012年的統計數據中包含了數千個(gè)OTU, 共計約150個(gè)屬.
隨著(zhù)研究方法效率和精度的不斷提高， 研究人員能快速地測得腸道微生物的DNA序列， 通過(guò)生物信息學(xué)對這些數據進(jìn)行分析以確定腸道微生物的種類(lèi)和群落組成， 并結合非基因組 （蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)） 的分析將微生物組的遺傳信息和群落結構與個(gè)體表型聯(lián)系起來(lái)。比對健康個(gè)體與疾病個(gè)體的腸道微生物， 還能進(jìn)一步探究微生物對人類(lèi)健康的影響。近年來(lái)， 相關(guān)研究取得了顯著(zhù)的成果。
2 人類(lèi)腸道微生物與健康的關(guān)系研究進(jìn)展
2.1 腸道微生物與消化代謝
腸道是消化吸收的重要場(chǎng)所， 腸道微生物對這一過(guò)程起著(zhù)重要的調節作用。在盲腸和上行結腸中， 碳水化合物發(fā)酵， 微生物快速增長(cháng)；而在橫結腸和下行結腸中氨基酸發(fā)酵， 微生物增長(cháng)速度變緩[5].腸道菌群的基因組中存在許多編碼碳水化合物活性酶的基因， 包括糖苷水解酶及糖基轉移酶等， 可幫助宿主消化糖類(lèi)[5].
作為機體代謝的重要參與者， 腸道微生物不僅能合成多種人體生長(cháng)發(fā)育所必需的維生素 （如雙歧桿菌、乳酸桿菌可以合成維生素B1、B2、B6和B12, 以及維生素K和葉酸等） , 還能促進(jìn)礦物元素的吸收， 幫助消化代謝[6].研究表明， 炎癥性腸病患者的糞便微生物群與健康受試者不同。例如， 厚壁菌門(mén)在炎癥性腸病和感染性結腸炎患者中明顯不足, 而這些細菌可能是腸內穩態(tài)的關(guān)鍵， 其數量的減少與腸黏膜的保護力降低表現出一定的相關(guān)性。有研究發(fā)現， 腸道微生物群落的改變可能與患結腸或直腸癌的風(fēng)險相關(guān)。Ahn等[8]擴增了結腸直腸癌患者和對照受試者糞便細菌的16SrRNA基因， 以Roche 454 （GS FLX titanium system） 超高通量測序技術(shù)， 用QIIME （quantitative insights into microbial ecology） 管道對基因組進(jìn)行分類(lèi)， 通過(guò)定量聚合酶鏈反應確認分類(lèi)學(xué)差異。結果顯示患者整體微生物群落多樣性降低， 厚壁菌門(mén)的相對豐度較低， 其中梭菌屬的數量消減最為突出。革蘭氏陽(yáng)性梭菌特別是糞球菌屬可以有效地將膳食纖維和其他復合碳水化合物發(fā)酵為丁酸鹽， 而丁酸鹽可能是具有抑制結腸炎和抑癌作用的主要結腸代謝物。
2.2 腸道微生物與疾病
腸道微生物除了具有調節消化代謝的作用， 還與糖尿病、肥胖癥、腎結石[等多種疾病緊密關(guān)聯(lián)。
Qin等[12]基于鳥(niǎo)槍法測序進(jìn)行了宏基因組范圍關(guān)聯(lián)研究 （MGWAS） , 分析Ⅱ型糖尿病患者的腸道微生物， 鑒定了60 000種Ⅱ型糖尿病相關(guān)標記物， 建立了宏基因組連鎖群的概念， 實(shí)現了分類(lèi)種級分析。結果表明， Ⅱ型糖尿病的特點(diǎn)是中度的腸道菌群生態(tài)失調、某些產(chǎn)丁酸菌的減少 （如腸道念珠菌和糞腸球菌濃度在患者體內水平較低[9]） 和各種機會(huì )性病原體的增加。
科學(xué)家發(fā)現腸道微生物的群落結構與肥胖癥相關(guān)， 肥胖癥會(huì )導致微生物多樣性降低[13].如果肥胖者的腸道菌群恢復到健康狀態(tài)可以改善與肥胖相關(guān)的病癥并幫助維持健康的體重[2].具有相同遺傳背景的、喂食低脂肪食物的無(wú)菌小鼠中移植了肥胖者腸道菌群的小鼠出現了肥胖癥， 移植了瘦人腸道菌群的小鼠變瘦[14];如果把肥胖小鼠的腸道菌群移植給瘦小鼠， 原先的瘦小鼠也會(huì )出現肥胖, 同時(shí)攜帶肥胖者與瘦人菌群的小鼠， 體重的增加以及和肥胖相關(guān)代謝表型的形成受到了抑制.可見(jiàn)腸道微生物在肥胖癥中具有重要作用。
研究發(fā)現， 草酸桿菌的定植與草酸鈣形成結石的風(fēng)險降低表現出70%的關(guān)聯(lián)度.草酸桿菌可在腸道中代謝草酸鹽， 缺乏草酸桿菌可能會(huì )導致結腸吸收草酸鹽增加， 造成尿中草酸鹽積累， 有利于結石的形成。
2.3 腸道微生物與免疫
早期B細胞發(fā)育可發(fā)生在腸固有層， 受到共生微生物和腸免疫球蛋白庫細胞外信號的調節。實(shí)驗表明， 當無(wú)菌小鼠接觸了微生物菌群， 微生物在體內定植， 腸固有層中特異性表達Igλ和Igκ的B細胞的比例將會(huì )增加[15], 從而影響B(tài)細胞的發(fā)育。
表達Foxp3轉錄因子的CD4T調節性T細胞 （Tregs） 對維持免疫內環(huán)境的穩定具有關(guān)鍵作用。腸道微生物群的孢子形成組分， 特別是梭菌屬的IV和XIVa簇可提供富含轉化生長(cháng)因子-β的環(huán)境， 影響結腸中Foxp3Tregs的數量及其功能[16].常規飼養的小鼠早期以口服方式接種梭菌， 成年后會(huì )表現出對大腸炎和全身性免疫球蛋白E反應的抗性， 這有可能成為治療自身免疫病和過(guò)敏反應的新方法。
人在衰老的過(guò)程中， 腸道微生物的多樣性逐漸降低， 先前罕見(jiàn)的致病菌株逐漸占據主導地位。Smith等[17]將青年非洲青鳉魚(yú)的糞便喂食給中年青鳉魚(yú) （自身腸道菌群經(jīng)抗生素處理殺死） , 吞食了青年小魚(yú)糞便的魚(yú)與對照組相比壽命顯著(zhù)延長(cháng)， 運動(dòng)能力也與青年小魚(yú)類(lèi)似。這一實(shí)驗結果讓我們看到了腸道菌群移植對人類(lèi)壽命延長(cháng)潛在的積極效果， 但目前的證據十分有限， 未來(lái)進(jìn)一步的研究或許能為延年益壽帶來(lái)更大的可能性。
2.4 腸道微生物與精神狀態(tài)
腸道菌群可影響哺乳動(dòng)物的大腦發(fā)育以及成體行為。與具有正常腸道菌群的小鼠相比， 無(wú)菌小鼠運動(dòng)較多、焦慮較少[18].這種行為表型與有關(guān)運動(dòng)控制和焦慮樣行為的第二信使通路和突觸長(cháng)期增強的基因在腦區域的表達改變相關(guān)。當無(wú)菌小鼠接觸了正常的腸道菌群， 腳手架蛋白PSD-95 （postsynaptic density protein 95） 和突觸素在紋狀體中的表達減少[18], 從而影響控制運動(dòng)和焦慮行為的神經(jīng)元電路的信號機制。
腸道菌群還會(huì )影響神經(jīng)系統的發(fā)育。胃腸道微生物群落異常的母體免疫激活 （MIA） 小鼠模型， 表現出自閉癥譜系障礙（屬神經(jīng)發(fā)育障礙） .如果用與人類(lèi)共生的脆弱擬桿菌對MIA小鼠后代進(jìn)行治療， 可糾正腸道的通透性， 改變微生物群落組成， 進(jìn)而改善交際的刻板、焦慮和感覺(jué)運動(dòng)行為的缺陷.
有研究分析了晚期黑色素瘤患者的腸道菌群樣本， 發(fā)現對免疫治療產(chǎn)生應答的癌癥病人腸道中的細菌多樣性更高 （尤其是產(chǎn)氣莢膜梭菌家族的細菌） , 而且其體內能特異性殺傷腫瘤的免疫細胞數量也比免疫治療不響應的患者明顯增多。該研究還表明， 在進(jìn)行免疫治療前通過(guò)給予抗生素、益生菌或者移植糞便改變腸道菌群， 能增加免疫治療藥物的效果， 這些新藥目前已用于治療幾種不同類(lèi)型的癌癥， 但仍需要進(jìn)一步的臨床試驗驗證。
3 展望
健康人的糞便移植到患者腸道， 可重建腸道菌群。由于腸道微生物與營(yíng)養代謝、免疫、神經(jīng)發(fā)育相關(guān)， 腸道微生物群落的改變會(huì )引發(fā)微生態(tài)結構改變， 導致肥胖癥、Ⅱ型糖尿病、腸炎等疾病， 因此糞便移植可用于相關(guān)疾病的治療。
今后對于腸道微生物的研究將會(huì )更加深入、全面， 將建立腸道菌群的基因組數據庫、完善腸道微生態(tài)生物學(xué)信息， 進(jìn)一步探究腸道微生物與人類(lèi)疾病的關(guān)系、微生物與其宿主相互作用的機制以及如何通過(guò)改變微生物群治療疾病， 加強人們對腸道微生物的認識， 從而促進(jìn)生物學(xué)、醫學(xué)以及食品等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展， 為人類(lèi)健康做出貢獻。
現有的人類(lèi)微生物組的研究方法正在不斷改進(jìn)， 測序技術(shù)也在飛速發(fā)展中。人類(lèi)遺傳學(xué)和基因組學(xué)的同步進(jìn)展提供了結合宿主基因型與微生物組表型研究的機會(huì )。未來(lái)的研究將整合宏基因組、轉錄組、代謝蛋白組和整個(gè)生態(tài)系統， 并在診斷、治療和預防等方面得到應用。
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