第四章    肠道微生物组研究14个主题方向

4.1 微生物组

4.1.2 主要认知和研究现状

4.1.2.1 肠道微生物组组成和多样性分类学组成

高通量测序技术极大扩展了人们对肠道微生物组组成和多样性的认知。在分类学（系统发育）层面上，肠道微生物组主要由细菌、真菌、病毒（主要为噬菌体）、古菌、原生生物等微生物组成。^[1]尽管肠道微生物的主要组成在不同个体存在某种的一致性，但它们的相对比例、具体物种在不同个体之间有明显差异。关于典型的“健康人肠道微生物组”“核心肠道微生物组”的组成，目前仍无确切定论。^[1]

图4.1.2 “微生物组”主题高影响力研究论文的关键词词云

细菌是肠道微生物组的绝对主力成员，也是研究最深入、最充分的肠道微生物。肠道约含有1000个细菌物种，至少200万个细菌基因，细菌数量与人体细胞数量的比值大约是1.3:1^[2]。成年人的肠道细菌主要来自厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes），约占肠道菌群的90%。放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、梭杆菌门（Fusobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）等细菌也占一定比例^[3]。（图4.1.3）

图4.1.3 人类肠道细菌组成的分类学示例^[3]

2011年，MetaHIT项目研究团队提出，人类肠道细菌的组成特征可以归纳为3种不同的“肠型”，分别由拟杆菌属、普雷沃氏菌属、瘤胃球菌属作为优势菌属，且不同肠型在功能特征上存在差异^[4]。然而也有大量研究证据显示，人肠道微生物组的组成和多样性呈连续分布谱系，而不是聚集成离散的“肠型”^[5]。

肠道真菌组是人类肠道微生物组的一个小而重要的组成部分，总体多样性低于细菌。肠道真菌与肠道细菌存在着互惠、共栖或竞争等复杂的相互作用。肠道真菌主要包括子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）、常见的菌属包括念珠菌属（Candida）、酵母菌属（Saccharomyces）、青霉属（Penicillium）、曲霉属（Aspergillus）、隐球菌属（Cryptococcus）、马拉色菌属（Malassezia）等^[6]。

肠道含有丰富的病毒组，每克肠道内容物中病毒样颗粒的数量约为109。噬菌体是肠道病毒组的主要成员，人肠道病毒组中有尾噬菌体目（Caudovirales）、微小噬菌体科（Microviridae）占主导地位。有尾噬菌体目以拟杆菌门细菌为宿主菌，这类噬菌体中的crAssphage被认为是最常见的肠道噬菌体。此外，在健康人肠道也能检测出真核病毒，但通常含量较低^[7]。

古菌在人类肠道微生物群落约占1.2%，在反刍动物瘤胃占比略高，最丰富的类群是甲烷短杆菌属、甲烷球形菌属等产甲烷古菌^[8]。

功能多样性与功能冗余

尽管个体间的微生物种类组成可能差异很大，但功能基因分布相对一致，这意味着不同的微生物群落可能通过不同的物种实现相似的功能，表现为功能冗余^[9]。这种共性功能主要表现在几个核心代谢途径，如中心代谢途径、碳水化合物代谢以及氨基酸代谢等，涉及到能量的产生和营养素的合成，对于维持宿主健康至关重要^[9]。

图4.1.4 口腔、肠道微生物组成多样性和功能冗余性^[9]

左上为口腔微生物组组成多样性，右上为口腔微生物组功能冗余性；左下为肠道微生物组组成多样性，右下为肠道微生物组功能冗余性

肠道微生物组也存在一些特定的个体功能差异，如致病岛、维生素和药物的代谢、细菌运动性以及营养转运蛋白等^[9]。研究肠道微生物组的功能，通常涉及宏基因组学、宏转录组学和蛋白质组学等高通量检测技术。通过这些技术，研究者能够鉴定参与特定代谢途径的基因，预测其功能，并进一步通过对mRNA、蛋白质水平的研究验证相关预测^[9]。

聚焦：技术发展极大扩充对肠道微生物多样性认知

多项大型的宏基因组组装基因组工作挖掘出了数量庞大的未培养候选肠道微生物新物种，尤其是细菌、病毒/ 噬菌体。例如，人类胃肠道基因组UHGG 目录中有20多万个人类肠道微生物基因组和1.71亿个蛋白质序列基因集，涵盖了4644个原核物种。

培养组学方法持续发展提供了高质量肠道微生物参考基因组，新兴的单细胞测序也崭露头角，具有很大应用潜力。这些工作大大扩展了人们对已知肠道微生物系统发育多样性的认知，并改进了对研究不足的非西方人群的肠道微生物分类。

近期代表性研究

聚焦：微生物组“暗物质”

除了细菌，真菌、病毒、古菌、原生生物等其他微生物也在肠道微生物组占据各自的生态位并发挥重要作用，由于研究尚不充分，被称为肠道微生物组的“暗物质”。近期有关肠道真菌对宿主健康影响及分子和生物学机制的研究取得了诸多进展，这些研究尤其关注了真菌与宿主肠上皮、宿主免疫的相互作用（图4.1.5），并揭示了真菌组对炎症性肠病、肠易激综合征、结直肠癌、胰腺癌、酒精性肝病等疾病的影响^[6]。

4.1.5 肠道真菌组对宿主免疫稳态和疾病的影响^[10]

a：诱导Th17反应；b：诱导浆细胞发育，产生靶向真菌毒力因子的抗体；c：部分真菌在肠道定植并通过未知机制增加循环粒细胞水平；d：马拉色菌、汉森德巴里酵母等真菌会在发生炎症的肠上皮组织定植，并通过促进炎症、减少伤口愈合来加重疾病；e：真菌直接分泌或诱导宿主产生结肠致病分子；f：在小鼠模型，肠道真菌可改变加剧癌症的信号通路。

关于肠道病毒/ 噬菌体的功能及对宿主的影响，现有研究表明，在炎症性肠病、结直肠癌、肝病等疾病，肠道噬菌体的多样性、组成、烈性/ 温和噬菌体的比例可能会发生改变^[7]。

肠道病毒组可通过直接与宿主免疫互作或间接调节特定肠道细菌丰度、向细菌转移DNA并影响细菌适性和毒力等机制，影响人体健康和疾病（图4.1.6）^[7]。

图4.1.6 病毒组影响宿主的直接和间接机制^[7]

目前对肠道古菌的研究更多集中在牛、羊等反刍动物以及白蚁等昆虫，产甲烷古菌通过消化发酵产物，对宿主能量代谢和全球变暖（通过甲烷排放）有重要影响^[11]。在人体健康方面，产甲烷古菌及产生的甲烷与肠易激综合征、炎症性肠病、结直肠癌等疾病存在关联。此外，古菌可通过与宿主、共生细菌的互作影响宿主生理健康，如消耗菌群产物TMA^[8]。

近期代表性研究

聚焦：工业化与非工业化人群的肠道微生物组

人类肠道微生物组研究在很大程度上是围绕欧美国家人群展开的，近年一些研究探索了工业化（城市化）/西方社会以外人群（如狩猎采集人群）的肠道微生物的组成和功能多样性，揭示了工业化和非工业化人群的肠道微生物组差异。

现代工业化人群生活方式的改变，以及医药（如抗生素的广泛使用）、食品和卫生方面的改变，导致肠道微生物的多样性大幅下降，严重影响了肠道菌群的组成和功能。这种重塑的“工业化”肠道菌群可能影响人类的代谢和免疫状态，从而对肥胖、代谢综合征、自身免疫疾病等慢性疾病起到推动作用。因此有研究者倡议，需要让人类肠道菌群返回祖先状态，提高微生物多样性，以改善人体健康，但也有学者对此持反对意见^[12,13]。

近期代表性研究

聚焦：深入菌株和基因层面

同一菌种的细菌由于基因组成的差异，很可能在功能、表型上有明显差别，从而对宿主造成不同影响。而且，菌株差异也是塑造具有个体特异性的微生物组的重要因素。肠道微生物组研究的分辨率已从属和种，深入到菌株和基因层面，例如SNP、结构变异等。通过对菌株、微生物基因的识别及功能解析，人们可以更好地研究肠道微生物组的复杂性、动态变化、传播规律和对疾病的影响，更准确地识别菌群干预靶点，推动发展个性化医疗策略。

近期代表性研究

聚焦：从微生物学角度研究肠道微生物

从细菌遗传学等微生物学角度研究肠道微生物，有助于解答微生物如何定植并适应宿主，肠道致病菌如何利用宿主，以及其他肠菌获得定植优势等问题，这是一项持续性的工作。其中，结构生物学方法或将更多应用于研究肠道微生物功能和特征的分子机制。

近期代表性研究

参考文献

1.Sharon, I., et al., The Core Human Microbiome: Does It Exist and How Can We Find It? A Critical Review of the Concept. Nutrients, 2022. 14(14).

2.Gilbert, J.A., et al., Current understanding of the human microbiome. Nat Med, 2018. 24(4): p. 392-400.

3.Rinninella, E., et al., What is the Healthy Gut Microbiota Composition? A Changing Ecosystem across Age, Environment, Diet, and Diseases. Microorganisms, 2019. 7(1).

4.Arumugam, M., et al., Enterotypes of the human gut microbiome. Nature, 2011. 473(7346): p. 174-80.

5.Knights, D., et al., Rethinking "enterotypes". Cell Host Microbe, 2014. 16(4): p. 433-7.

6.Richard, M.L. and H. Sokol, The gut mycobiota: insights into analysis, environmental interactions and role in gastrointestinal diseases. Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2019.16(6): p. 331-345.

7.Liang, G. and F.D. Bushman, The human virome: assembly, composition and host interactions. Nat Rev Microbiol, 2021. 19(8): p. 514-527.

8.Hoegenauer, C., et al., Methanogenic archaea in the human gastrointestinal tract. Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2022. 19(12): p. 805-813.

9.Lozupone, C.A., et al., Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota. Nature, 2012. 489(7415): p. 220-30.

10.Ost, K.S. and J.L. Round, Commensal fungi in intestinal health and disease. Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2023. 20(11): p. 723-734.

11.Borrel, G., et al., The host-associated archaeome. Nat Rev Microbiol, 2020. 18(11): p. 622-636.

12.Sonnenburg, J.L. and E.D. Sonnenburg, Vulnerability of the industrialized microbiota. Science, 2019. 366(6464).

13.Carmody, R.N., A. Sarkar, and A.T. Reese, Gut microbiota through an evolutionary lens. Science, 2021. 372(6541): p. 462-463.