微生物群和健康的“秘密關(guān)系”

大約在10年前我們開(kāi)始研究腸道菌群，還記得在2007年的時(shí)候，我接到了任務(wù)，加入微生物群的研究組。在過(guò)去10年當(dāng)中我們有了很多進(jìn)展，我們得到了數(shù)據(jù)，有了一些成果，并且也了解了里面包含的挑戰(zhàn)，還有更多的東西需要發(fā)現(xiàn)和探索，我們還僅僅是剛剛進(jìn)步。在這個(gè)過(guò)程中有很多驚喜的發(fā)現(xiàn)，其中之一就是新的測(cè)試技術(shù)產(chǎn)生出大量的數(shù)據(jù)，中國(guó)在這方面作出了很大的貢獻(xiàn)。

2007年我們做了一個(gè)規(guī)劃，希望有24個(gè)樣本可以進(jìn)行測(cè)序，這是當(dāng)時(shí)定下的目標(biāo)，結(jié)果一年之后中國(guó)的華大基因已經(jīng)做到了124個(gè)測(cè)序，在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)是非常驚人的量。

微生物群和人類(lèi)健康息息相關(guān)

說(shuō)到我們的腸道菌群指的就是一個(gè)微生物的社區(qū)，每次我們說(shuō)Microbiome就是人體內(nèi)微生物菌群，在大多數(shù)的情況下就是特指腸道內(nèi)的微生物群，這個(gè)微生物群非常復(fù)雜，即便在今天還是沒(méi)有辦法把所有的微生物，或者體內(nèi)微生物進(jìn)行體外培養(yǎng)?，F(xiàn)在有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)基因已經(jīng)在不同項(xiàng)目當(dāng)中被發(fā)現(xiàn)，大部分都是來(lái)自人體腸道內(nèi)的微生物，如果我們比較微生物的細(xì)胞和人體細(xì)胞，它的數(shù)量幾乎是一樣的。

我之前提到的研究組Meta當(dāng)時(shí)有幾個(gè)大的項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行，但是其中之一是Meta HIT，是歐盟計(jì)劃，也有中國(guó)合作伙伴參與，還有美國(guó)的人體基因組的一個(gè)項(xiàng)目，兩個(gè)項(xiàng)目不一樣，Meta HIT主要是測(cè)序，了解基因的多樣性，美國(guó)項(xiàng)目更多是要了解不同社區(qū)人群當(dāng)中的差異。我們相互參考，相互學(xué)習(xí)。Meta HIT第一次發(fā)表的論文，是突破性的發(fā)現(xiàn)，被引用了數(shù)千次，這是第一次找到了我們所做的124個(gè)測(cè)序的基因目錄。我們看到的是微生物群的豐富性非常重要。

我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)容，如果微生物菌群多樣性低，它的穩(wěn)定性也會(huì)比較低，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致疾病，特別是炎癥的反應(yīng)。還有一些炎癥的指標(biāo)、代謝的指標(biāo)跟微生物菌群多樣性低是聯(lián)系在一起的，兩者之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。之所以我們對(duì)于微生物群研究這么讓人激動(dòng)，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)微生物和人類(lèi)健康是息息相關(guān)的，有一些疾病和它有關(guān)系，這是我們?cè)葲](méi)想到的，我們可以很好地做總結(jié)。

說(shuō)到微生物群會(huì)想到的就是微生物的基因非常多樣化，自己都有代謝的潛力，可能比人體的潛力要更大、更豐富，人體可能有25萬(wàn)個(gè)基因，但是微生物有幾百萬(wàn)甚至是更多不同的基因，所以它的潛在能力是非常大的，對(duì)于生物或者藥物來(lái)說(shuō)有各種不同的可能，而且吃東西下去的時(shí)候首先接觸到的是腸道微生物，首先是接觸點(diǎn)，所以微生物有特殊的作用。全球各地的臨床實(shí)驗(yàn)在一個(gè)領(lǐng)域非常活躍，在美國(guó)、歐洲和亞洲，今年的數(shù)據(jù)亞洲會(huì)更多，而且亞洲很多都會(huì)集中在中國(guó)，我們一項(xiàng)很重要的工作就是聚焦代謝類(lèi)疾病，特別是二型糖尿病，二型糖尿病在世界各地都是非常常見(jiàn)的疾病，大約有5億的人口患病，不僅僅是在西方國(guó)家，現(xiàn)在最高的比例是在阿拉伯地區(qū)，它的發(fā)病率最高，這是第一個(gè)被證明跟微生物群相關(guān)的一種疾病。

我提到相關(guān)性的概念，健康人群和患病人群微生物群是有差異的，但是微生物群和疾病之間并不是因果關(guān)系，只是說(shuō)有相關(guān)性。因?yàn)楦祟?lèi)基因?qū)W不一樣，微生物的菌群基因或者微生物群會(huì)變化，當(dāng)?shù)貌≈罂赡苁俏⑸锶喊l(fā)生變化，也可能微生物群變化之后得了疾病，只是代表一種相關(guān)性。在各地的研究當(dāng)中都有發(fā)現(xiàn)二型糖尿病和腸道微生物菌群有相關(guān)性的，而且我們發(fā)現(xiàn)使用治療糖尿病的藥物可以解釋差異。

當(dāng)我們想要證明疾病是否對(duì)微生物群有影響的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)某種藥物導(dǎo)致了腸道菌群的改變，所以并不是微生物菌群變化導(dǎo)致疾病發(fā)生，而是對(duì)疾病的治療過(guò)程導(dǎo)致了微生物菌群的改變。之后我們又做了一項(xiàng)其他的研究，這些人還沒(méi)有得糖尿病，但是血糖比較高，在這個(gè)時(shí)候我們也想研究微生物群的代謝是不是跟疾病也有關(guān)系。我們做了比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)的分析。

用基因組描述微生物

為了減少微生物群數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，我們使用宏基因組的概念，就是并不知道里面所有的樣本基因。我們有一個(gè)原則，如果兩個(gè)基因都在染色體上，它們?cè)谌魏我粋€(gè)樣本當(dāng)中的豐裕度差不多，它們豐裕度一致，讓我們看到了之前沒(méi)有看到的成果。我們看看樣品、看看測(cè)序，可以看到不同的語(yǔ)境，就得出相應(yīng)的結(jié)論，大家也可以看到我們采用的樣本非常多，這樣讓我們?cè)谖⑸锶簶悠樊?dāng)中可以獲得很多的信息。

如果要運(yùn)用基因組描述微生物，可以找到相應(yīng)的比較好的參照。運(yùn)用這樣的技術(shù)、運(yùn)用宏基因組的物種，幾乎有90%的樣品甚至是95%的樣品可以找到參照組。我們看看具體的理念是如何使用的？這是一個(gè)基因是在1200個(gè)樣品當(dāng)中使用的豐裕度，和第一個(gè)基因組類(lèi)似有4000個(gè)不同基因，它們的豐裕度和類(lèi)似于第一個(gè)基因組，這也就是我們所謂的宏基因組種。通過(guò)一系列技術(shù)在人體的菌群當(dāng)中找到1500種不一樣的菌群，可以用這樣的手段來(lái)進(jìn)行測(cè)試參照。但是一方面我們可以找到一定的參照，與此同時(shí)又可以找到新的品種，我們可以看到一系列分類(lèi)的標(biāo)記，這樣就知道我們的基因組是可以如何進(jìn)行分類(lèi)和參照的。

我們可以看到在亞種的層面當(dāng)中有非常準(zhǔn)確的配對(duì)率，有一些菌群的亞種做得比較好，但是在其他的菌群當(dāng)中并不是的，比如說(shuō)我們?cè)陔p歧桿菌有宏基因組測(cè)序當(dāng)中有2000個(gè)基因做到比較好的參照，所以它的參照率可以大于80%在嬰兒的腸道菌群亞種當(dāng)中看到類(lèi)似的數(shù)據(jù)。如果看看更大情況，有很多的基因可以通過(guò)分類(lèi)標(biāo)記來(lái)完成相應(yīng)的分類(lèi)，但是還有很多的微生物群依舊沒(méi)有辦法通過(guò)技術(shù)手段來(lái)做到的。

更好地發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)性

如果我們回到糖尿病的案例當(dāng)中，我們有600萬(wàn)不同的基因，有各種各樣的微生物群，所以我們把糖尿病一種激素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，把它的相關(guān)代謝物和疾病進(jìn)行關(guān)聯(lián)。我們?cè)诖x物當(dāng)中看到有一些糖尿病的前兆的標(biāo)志，這是氨基酸的標(biāo)志，這些標(biāo)志是在高血糖人群當(dāng)中可以看到非常典型的氨基酸，我們也碰到很多技術(shù)不奏效的時(shí)候，因?yàn)楸热缯f(shuō)我們運(yùn)用的是糞便的樣品，而不是使用小腸的樣品，這樣可能導(dǎo)致技術(shù)失效或者手段并不能發(fā)揮好的作用。但是或許有方法論不一樣的，因?yàn)樵趥€(gè)體當(dāng)中生產(chǎn)出來(lái)的物種不一樣，這樣如果我們一概而論很有可能很多聯(lián)系建設(shè)不起來(lái)。

我們從微生物顯微鏡的角度來(lái)看，可以看到叢林原則或者草原原則，想要知道哪些微生物群是掠食者，是站在食物鏈頂端的？在腸道微生物群當(dāng)中也有類(lèi)似的目標(biāo)，因?yàn)槊總€(gè)個(gè)體當(dāng)中可能有不一樣的掠食者，站在食物鏈頂端的微生物群也不相同，所以它的關(guān)聯(lián)性有可能并不是完全一樣的。如果看一下它們的運(yùn)作群體，分組有可能不一樣，對(duì)于統(tǒng)計(jì)來(lái)說(shuō)并不是一件很好的事情，比如說(shuō)可能有三個(gè)物種進(jìn)行分類(lèi)，或許發(fā)現(xiàn)有700個(gè)物種和它們很類(lèi)似的，但是如果再乘以系數(shù)很有可能意味著有3億多個(gè)不同的基因，很有可能進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)聯(lián)，這件事情就會(huì)使得關(guān)聯(lián)性的效果大打折扣。

我們也有一系列的案例發(fā)現(xiàn)，功能比較類(lèi)似的微生物會(huì)有類(lèi)似的表征，與此同時(shí)它們還有自己的標(biāo)志，也就意味著這些類(lèi)似的功能也是非常好的特性傳遞的媒介，所以如果我們把數(shù)據(jù)融合在一起有非常好的結(jié)論。

我要特別感謝共同研究的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，正是我們共同的努力，才有了今天的成果。［本文根據(jù)H.Bjorn Nielsen在2019浦江創(chuàng)新論壇未來(lái)（科學(xué)）論壇——“無(wú)處不在的微生物群”分論壇現(xiàn)場(chǎng)錄音整理，未經(jīng)本人審定］