微生物組：從群落代謝到宿主疾病

責編丨迦 漵

轉載自「中國科學：生命科學」公眾號

微生物生活在地球的各個角落，它們通過多種方式與環境相互作用，對生態環境和宿主健康起到了不容忽視的作用。隨著科學技術的迅速發展，人們擁有了更多探索微生物「暗物質」世界的方法，得以更深入研究微生物群落在維持生態系統平衡中發揮的作用，以及微生物群落與宿主和環境相互作用的機制。

SCIENCE CHINA Life Sciences（《中國科學：生命科學》英文版）特邀同濟大學附屬第十人民醫院秦楠研究員、中國科學院微生物研究所東秀珠研究員、上海交通大學趙立平教授，圍繞「微生物組研究」組織出版專題Microbiome: from community metabolism to host diseases 。

- July 2018, Vol. 61, No.7 -

秦楠

東秀珠

趙立平

本期專題強調了整合微生物組學和多組學方法的重要性，這些方法在深入、系統地研究宿主與微生物相互作用、環境因子與微生物相互作用、不同微生物之間相互作用時，具有重要意義及廣闊應用前景。

人體微生物組與疾病

人體微生物組是指存在於人體、特別是腸道內的共生微生物和病原微生物的總和。微生物組已被證實對人體的免疫、激素和代謝穩態的維持具有重要作用，同時也會影響多種疾病的發生髮展，例如肥胖、II型糖尿病、免疫介導的炎症性疾病、心血管疾病和精神類疾病等。過去二十年，高通量測序技術和生物資訊技術的迅猛發展推動了探索人體微生物組的進程，人體微生物組代謝活動及其對人體健康產生的相應影響也得到更加深入的研究。

慢性功能性便秘是一種兒童、成人和老年人群常見的腸道狀態。秦環龍研究組綜述了近期關於便秘和腸道菌群紊亂關係的研究成果，腸道菌群產生的特定代謝物，如短鏈脂肪酸和5-HT，能有效維持腸道正常生理狀態，避免腸道功能障礙，這為慢性便秘的微生物治療提供了理論基礎。本綜述詳細討論了包括益生菌治療（如益生菌、益生元、合生元）和糞菌移植在內的微生物治療的安全性、便捷性和療效。

李寧研究組證實糞菌移植結合可溶性膳食纖維（果膠）對治療慢傳輸型便秘具有長期療效，患者接受三個月的糞菌移植治療，並且持續一年每天進食可溶性膳食纖維，其自發性排便行為、糞便黏度和Wexner便秘評分均得到顯著改善。

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是一種自身局部脂肪貯積導致的慢性肝病，已有研究證明該病與腸道菌群紊亂關係密切。在中國，NAFLD患者數量急速增長，已佔總人數的20.9%，這將成為公共健康的一大隱患。楊雲生研究組揭示了NAFLD患者腸道菌群結構的基本特徵，並在科、屬水準比較NAFLD患者和健康人的糞便菌群組成差異。此外，還發現胰島素抗性、腰臀比（WHR）、身體品質指數（BMI）和菌群結構變化與NAFLD的發生髮展也存在密切聯繫。

在破解人體疾病潛在機制、探索並評估新型治療製劑和藥物研究中，小鼠模型已被廣泛使用。趙立平、張晨虹研究組對藥物誘導結腸炎小鼠模型的初始腸道菌群的影響進行了深入研究，發現不同批次的小鼠初始腸道菌群存在顯著差異，患有嚴重性結腸炎小鼠與結腸輕微損傷小鼠相比，前者腸道菌群的組成具有明顯特徵，如Akkermansia屬含量增加，Barnesiella屬含量減少。此外，不同試驗中，腸道菌群對葡聚糖硫酸鈉（DSS）處理的反應也不同。這些結果說明，在使用小鼠模型進行疾病機制研究時，必須考慮腸道菌群的影響。

微生物通過複雜的代謝鏈相互融合在一起。在群落環境而非純培養物中研究微生物代謝，能夠幫助深度了解群落中各成員的相互作用，發現新的表型，輔助設計合成新的群落，培養「不可培養物」。

劉芳華、王歐美研究組利用種間直接電子傳遞（DIET）模型，在雙培養基上研究了Geobacter metallireducens和Geobacter sulfurreducens之間的電子傳遞過程。在該模型中，兩種地桿菌屬細菌可通過乙醇向延胡索酸傳遞電子，從而獲得乙醇氧化。這些結果表明，比較轉錄組學可以作為共培養時種間直接電子傳遞（DIET）過程中揭示電子供體和受體不同反應的一種有力工具，同時也加深了我們對自然微生物群落中細菌相互作用的理解。

氮汙染是世界範圍內日益嚴重的一個環境問題，其中含氮汙水的排放是最主要的原因。本刊中，劉志培研究組綜述了最近幾年關於汙水處理中微生物反硝化作用的微生物組及多組學研究成果。「多組學」研究技術包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學等，這些技術的應用使人們進一步了解了汙水處理系統反硝化作用中的微生物群落結構、重要功能微生物及其生理機能、功能基因（包括氮循環）、微生物及其基因對環境因子的反應。

BioArt，一心關注生命科學，只為分享更多有種、有趣、有料的資訊。關注投稿、合作、轉載授權事宜請聯繫微信ID：fullbellies 或郵箱：[email protected]