人類基因組計(jì)劃的一個(gè)驚喜是發(fā)現(xiàn)人類基因組只含有20,000 - 25,000個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，大約是研究人員預(yù)期發(fā)現(xiàn)的數(shù)字的五分之一。為了尋找可能導(dǎo)致這種差異的缺失部分，研究人員開始尋找有助于人類功能的其他遺傳物質(zhì)來源。其中一個(gè)來源是人類微生物組。

微生物組被定義為生活在人體內(nèi)部和人體內(nèi)的微生物(由細(xì)菌，噬菌體，真菌，原生動(dòng)物和病毒組成)的集體基因組。我們的微生物細(xì)胞數(shù)量是人類細(xì)胞的10倍。因此，為了將人類研究為由非人類和人類細(xì)胞組成的“超自然生物”，2007年美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)啟動(dòng)了人類微生物組計(jì)劃(HMP)作為人類基因組計(jì)劃的概念擴(kuò)展。

雖然迄今為止PubMed包含200多篇HMP論文，但本月HMP聯(lián)盟協(xié)調(diào)出版了兩篇關(guān)于Nature(Human Microbiota)的主要科學(xué)報(bào)告和一套14個(gè)公共科學(xué)圖書館(PLoS)伴隨論文(The Human Microbiome Project Collection)。 )報(bào)告過去五年的研究情況。

Nature論文中報(bào)道的結(jié)果是美國(guó)18至40歲年齡段300名健康成年男性和女性微生物組的更大隊(duì)列研究的子集。這些論文中的數(shù)據(jù)來自對(duì)來自242名健康成年人的4,788份臨床標(biāo)本的分析：129名男性和113名女性。男性志愿者在口腔，鼻子，皮膚，下胃腸道和陰道的18個(gè)部位對(duì)15個(gè)部位和女性進(jìn)行取樣。在這些個(gè)體中，大約200天后再次對(duì)131個(gè)樣品進(jìn)行取樣以評(píng)估其微生物組的穩(wěn)定性。這些受試者在研究期間均未服用抗生素或免疫調(diào)節(jié)劑，并且所有受試者在取樣前在所有身體部位經(jīng)臨床驗(yàn)證沒有明顯的疾病。

這項(xiàng)研究的第一個(gè)驚喜：對(duì)這些微生物組(即宏基因組)的完整基因含量和組成的分析預(yù)測(cè)，這些健康成人的人體中可能存在超過800萬個(gè)與微生物組相關(guān)的獨(dú)特微生物基因。與人類基因總數(shù)相比，這表明微生物組對(duì)人類超生殖的遺傳貢獻(xiàn)可能是人類基因組遺傳貢獻(xiàn)的數(shù)百倍。

此外，有些令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)性病原體通過利用免疫系統(tǒng)較弱的病原體引起疾病，在這些健康人群中普遍存在。然而，沒有發(fā)現(xiàn)高毒力的微生物，如NIAID類AC病原體，包括埃博拉(A)，沙門氏菌(B)或狂犬病(C)。哈佛大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院的Curtis Huttenhower博士及其合作者將這些病原體比作基因特征：即使在健康人群中，導(dǎo)致輕微有害特征的遺傳變異也很常見，而高風(fēng)險(xiǎn)的遺傳變異非常普遍。罕見。

在一項(xiàng)相關(guān)的研究中，圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Kristine Wylie博士是George Weinstock實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)生，他發(fā)現(xiàn)病毒載量增加，以及病毒多樣性，3歲以下患有原因不明的發(fā)燒。Wylie博士說，由于抗生素只會(huì)殺死細(xì)菌并且不會(huì)影響病毒，因此了解可能由病毒引起的不明原因的發(fā)熱可以減少不必要的抗生素使用。

微生物組中的大多數(shù)微生物不會(huì)引起疾病。事實(shí)上，人類依靠微生物來執(zhí)行我們自己無法完成的許多重要功能。微生物消化食物，為宿主細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)，合成維生素，代謝藥物，解毒致癌物質(zhì)，刺激腸道內(nèi)壁細(xì)胞的更新，激活和支持免疫系統(tǒng)。為了更好地了解這些相互作用，HMP研究人員不僅確定了分類組成，還確定了這些身體部位中發(fā)現(xiàn)的微生物群落的代謝途徑。這是通過分析這些群落中微生物的集體基因組序列來實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，生成足夠測(cè)序深度的下一代測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了這種分析。

所有身體部位或所有個(gè)體都沒有一種常見的微生物存在。研究人員發(fā)現(xiàn)微生物群落在相似的身體部位之間最相似，也許是違反規(guī)定的。例如，在兩個(gè)受試者之間，第一個(gè)受試者皮膚上的微生物與第二個(gè)受試者皮膚上的微生物最相似。有趣的是，他們不歧視男女。甚至雙胞胎也可能有不同的微生物組，因此人類遺傳學(xué)可能不會(huì)在決定微生物組成中起主要作用。

宏基因組分析還產(chǎn)生了這些微生物組中存在的代謝途徑列表。特別有趣的是，健康個(gè)體之間的微生物成員差異很大，但其微生物組的代謝途徑非常相似。在健康成人的微生物組中，這些能力包括維持細(xì)胞功能和維持身體部位生態(tài)系統(tǒng)所需的其他特性的所有常見“管家”特性。

環(huán)境微生物可以適應(yīng)新的棲息地。例如，即使在海洋中通常罕見的降解油的微生物，在石油泄漏后，碳?xì)浠衔锝到馕⑸锿ǔＴ诤Ｑ笾虚_花。這是因?yàn)槭蜁?huì)刺激那些可以降解油脂的微生物的生長(zhǎng)，因此它們會(huì)超過其他不能生存的微生物。是否有證據(jù)表明人類微生物群落也適應(yīng)特定的身體棲息地?巴爾的摩馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究助理Brandi Cantarel博士觀察到，類似的身體部位之間的特定類別的酶(CAZymes，分解復(fù)雜的碳水化合物)非常相似，即使是組成這些社區(qū)是不同的。該觀察結(jié)果表明，人類微生物群落確實(shí)適應(yīng)于協(xié)同分解特定身體部位上存在的特定碳水化合物。碳水化合物成分似乎通過那些能夠代謝這些身體部位特定碳水化合物的微生物驅(qū)動(dòng)定植。

確定健康微生物組的構(gòu)成非常重要，因?yàn)楦呋虻偷奈⑸锒鄻有钥赡軐?duì)健康或疾病產(chǎn)生不同的影響，具體取決于身體部位。例如，已經(jīng)顯示腸道中的微生物多樣性低與肥胖，炎性腸病和克羅恩病相關(guān)，而陰道中的高微生物多樣性通常與細(xì)菌性陰道病相關(guān)，細(xì)菌性陰道病是最常見的陰道感染類型。

此外，微生物多樣性不是唯一隨健康狀況或疾病狀態(tài)而變化的微生物群特性。例如，代謝能力的顯著喪失似乎發(fā)生在與特定疾病相關(guān)的微生物組中，例如克羅恩病，潰瘍性結(jié)腸炎或新生兒壞死性小腸結(jié)腸炎，這是一種早產(chǎn)嬰兒的破壞性疾病。似乎微生物組的代謝能力的破壞可能比單獨(dú)的微生物組合物更能預(yù)測(cè)疾病狀態(tài)，因?yàn)槲⑸锝M合物可以在不損失代謝功能的情況下改變，但通常情況并非如此。對(duì)健康宏基因組的分析，例如在HMP中完成，提供了該領(lǐng)域需要區(qū)分健康微生物組的代謝特性的參考數(shù)據(jù)，

這16項(xiàng)主要研究以及HMP產(chǎn)生的200多篇論文為支持這一年輕領(lǐng)域的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。第一份HMP Nature論文描述了作為支持人類微生物組領(lǐng)域的社區(qū)資源而創(chuàng)建的大量數(shù)據(jù)，計(jì)算工具和科學(xué)方法。HMP出版物成功地證明了微生物組是人類的主要遺傳信號(hào)，并為人類功能提供了必不可少的關(guān)鍵特性。

這僅僅是個(gè)開始。我們已經(jīng)了解到生活在我們身上的細(xì)菌不是入侵者，而是有益的殖民者。希望隨著研究的進(jìn)展，我們將學(xué)習(xí)如何照顧我們的微觀殖民者，以便他們反過來關(guān)心我們的健康。