健康的人类微生物组

谷禾健康

识别和纠正疾病患者微生物组的重要第一步，就是要了解健康微生物组的特性，及没有明显疾病情况下的许多不同的微生物生态。

我们知道体内DNA的细微差异引起巨大的表型多样性，也就是说大家都能区分彼此。相比之下，人体微生物的宏基因组（微生物在我们体内的总DNA含量）变化更大，只有三分之一的组成基因存在于大多数健康个体中。所以要理解健康微生物组这些差异是重大的挑战。

本文，我们将对以下方面展开讨论分析：

人类对健康人微生物组的理解史；

健康人肠道微生物群的组成和功能；

健康人微生物多样性的范围；

可能的驱动因素，如地理，饮食和生活方式等；

健康微生物群的核心标志；

微生物群的抵抗力，弹性和稳定性；

有助于人类健康和疾病预防的微生物代谢途径和种类；

现代农业与人类健康肠道微生物。

01 健康微生物组

“健康” 是指没有任何明显的疾病。

“微生物组” 指人体的整个微生物组，但目前大部分可获得的数据描述的都是肠道微生物组，因此这里讨论的许多发现都来自肠道微生物组。

关于健康微生物组，有两种假设：

第一种假设

试图确定在健康个体中普遍存在一组“核心”微生物群，其假设是不存在此类微生物就表明失调。但健康个体之间的生态多样性研究表明，健康人的微生物组本来就有足够的差异，无法支持这样的假设。

第二种假设

健康的“功能核心”：一种代谢和其他分子功能的补充，由特定栖息地内的微生物群执行，但不一定由不同人体内相同的生物体提供。

这样的核心：

可能要作为遗传潜能存在，就像人类基因组一样必须严格，不能编码出严重的有害突变才能健康；

或者可能要在个体内部有良好的表达和调控，以保持健康（也就是说，它必须由RNA转录组编码或以蛋白质或小分子产物的形式存在）；

当然也可能是这两者组合。

当然，功能核心：

必须至少包括个体微生物生命所必需的内部管理功能，这些功能必须通过基因组正确表达；

还可能包括特定于人类生态系统中微生物生态位的功能；

可能包括人类细胞无法完成的过程，因此代表了共生宿主与微生物关系的潜在基础。 

核心功能的适应性

健康的微生物组可能会进一步通过其随时间变化表现出来。直白地说，一个健康相关的微生物群必须对外界或内部变化有一定程度的适应性。外界例如饮食或药物等干扰，内部变化例如年龄的改变。

即使某个特定的群落结构提供了所有必要的核心功能，但如果没有这种适应性，就不能长期保证核心功能。

因此，微生物组对压力和干扰的抵抗力及其之后恢复健康功能的能力是表征健康微生物组的潜在特性之一。

02 对健康微生物组的理解不断发展

早期的研究试图通过培养和表征菌的生理特性来确定正常的微生物群，主要在肠道中。这类研究最能突出在实验室环境中生长良好的生物，例如大肠杆菌。这种偏见导致人们认为大肠杆菌是人类肠道微生物组中丰富而普遍的成员。

在1970年代引入了严格的厌氧技术，仅肠道就可以回收300多种细菌。此外，对选择性培养基中标准系列稀释液中活细胞的计数可以对这些物种进行定量。 

对该时代的四项大型研究的总结，研究了141名美国人在不同饮食下的粪便样本，发现拟杆菌（Bacteroides）和厌氧球菌（anaerobic cocci）属细菌普遍存在且数量丰富，而梭菌属细菌则普遍存在，但丰度较低，尽管没有在所有受试者中均观察到单一物种。其他普遍但含量较低的细菌包括双歧杆菌属（Bifidobacterium），真细菌属（Eubacterium），乳杆菌属（Lactobacillus）和链球菌属（Streptococcus），以及兼性厌氧菌如大肠埃希氏菌（Escherichia）。

当时已经有人怀疑，还有大量与人类有关的微生物种类没有被发现，一项研究估计在一个健康的结肠中同时存在大约400种微生物。然而，发现它们也有很多障碍，比如某些微生物的培养要求严格，以及培养所需的劳动密集型性质等。

此外，并不是所有的微生物都可以通过在选择性培养基上单独培养而被很好地区分为物种或菌株。例如，不同种类的高产拟杆菌属特别难以解开。另外，这种关于群落组成的研究甚至更难扩展到非细菌性微生物，例如病毒和真菌，对于微生物含量低于肠道的人体栖息地的研究更加不切实际。需要新方法来研究健康微生物组的这些方面。

DNA测序和荧光原位杂交（FISH）等与传统培养无关的技术现已广泛使用，它们的民主化使微生物样品的DNA含量得以直接研究。使用针对16S核糖体RNA基因的FISH进行的早期研究表明，在西欧队列中，至少三分之二的肠道细菌可归因于大约六个物种/属水平的一组六组细菌：两个拟杆菌，两个梭菌，链球菌 /乳球菌和直肠细菌。从那以后，这被证明是乐观的，甚至在当时，这些样本之间的丰度也观察到了很大的差异（标准偏差为均值的〜60–80％）。

某些直接从样品中直接测序16S rRNA基因的早期努力表明，对应于已知物种的85％至95％的细菌丰度可归因于与拟杆菌，梭状芽孢杆菌XIVa和梭状芽孢杆菌第四类有关的三个细菌群。16S研究还显示，健康人之间以及一个人内紧密联系的生物地理位点（例如粘膜和粪便样本）之间的生物分类组成存在很大差异。然而，在所有这些研究中，当时的大多数（75–80％）序列簇与任何文献记载的物种都不匹配，这解释了以前工作中对多样性的低估很多。

随着数据库的完善和技术的进步，目前16s尤其是在肠道菌群方面分辨率也已经达到很高了，种方面能达到70%以上，40%左右能分到菌株。而且肠道菌群检测远不是检出了每种菌的含量，还需要大规模人群队列和疾病样本的训练以及模型构建，因此16s有其标准化和相对适合的成本，在肠道菌群中还是首选的方案。

此外，大规模并行shotgun测序（高通量测序技术）的出现已基本解决了这种微生物“暗物质”的分类学组成，虽然功能多样性的显著百分比（高达50%）和非参考群体的组成仍有待确定。 

最初的发现印证了人与人之间的巨大差异（甚至在双胞胎之间），但也暗示了存在着所有个体共有的一组微生物基因。 这有助于建立这样一种模式：就好比在每个生物体中保存的管家基因一样，“核心微生物群”可以在功能层面而不是在分类学层面上被定义。

03 历史上微生物群落的变化

人类和人类文明有上千年的变化，人类肠道微生物群也随着饮食的变化而变化。例如，狩猎-采集社会的肠道微生物群落在一年中显示出剧烈的变化，反映了食物供应的变化。此外，在这些社会中，女性和男性成员的微生物群也存在重大差异，女性的微生物群更像食草动物，而男性成员的微生物群更像食肉动物。

从早期文明到现代文明，肠道微生物群的变化也反映了卫生的变化，这在城市和农村社区之间仍然存在。

在过去的几十年里，随着卫生条件的改善、加工食品和药物（尤其是抗生素）的广泛使用，现代生活方式似乎对人类肠道微生物群落的多样性产生了重大影响，总体上减少了其多样性。

人们吃的东西对肠道微生物组成的影响要比基因强得多。设想这样两种情况：

没有血缘关系却生活在一起的人（有相似的饮食习惯和生活方式）；

生活在不同地方的有血缘关系的人；

后者的微生物组表现出更大的差异。

04 人口规模基准队列

此后，在测序和其他分子测定法的通量和成本效益仍在不断提高的基础上，开展了大规模项目，以表征微生物成分的多样性及其功能潜力。  

2010年，人体肠道基因组（MetaHIT）研究报告了来自124个欧洲成年人（主要是“健康”人群）粪便样本的肠道基因组，当时该序列超过了以往所有微生物组研究的测序量近200倍。

2012年，人类微生物组计划（HMP）报告了对242位来自美国的健康成年人进行16S谱分析的结果，并对139个人的亚组进行了宏基因组测序，结果代表了分布在五个主要身体区域之间的18个身体栖息地。一项针对2型糖尿病的大型中国研究很快贡献了145个肠道宏基因组，其中大约一半来自非糖尿病对照组。此后，MetaHIT协会继续发布来自欧洲成年人的新的肠道宏基因组。

人类微生物组群项目（HMP）和人类肠道宏基因组学（MetaHIT）倡议是第一个定义健康人体微生物组组成和功能的大型微生物组项目。这些努力为了解宿主相关微生物群落的生理和功能特性提供了基础。

随着新一代测序、全基因组鸟枪测序、全球代谢组学、先进的计算策略以及人性化动物模型和基于培养的人类类器官系统等新技术的出现，对微生物组的理解正在迅速进步。

05 微生物组的典型组成和多样性

健康的肠道菌群因为个体差异较大，很难有一个精确的定义，但通过大量人群样本数据的了解我们可以明确什么样的肠道菌群是不健康的。

# 多样性

首先从多样性的角度，一般除了2岁以下婴幼儿，大部分的健康人的肠道菌群构成大概有200~2000种菌，如果数量过低或过高都不算健康。过低表明饮食结构过于单一或经历了抗生素等处理。过高表明可能出现了很多不属于肠道环境的菌。

# 核心肠道菌群的占比

另外主要从核心肠道菌群的占比来评估。健康的肠道菌群虽然构成多样，但是存在一部分核心的肠道菌群，它们是肠道菌群的基石，如果这些菌的占比不足30%表示肠道菌群环境已不由这些健康菌占主导，很可能为病原菌提供生存环境。

这些核心的肠道菌群包括：

拟杆菌属(Bacteroides)，

柔嫩梭菌属 (Faecalibacterium)，

普雷沃氏菌属 (Prevotella)，

瘤胃球菌属 (Ruminococcus);

此外, 粪球菌属(Coprococcus),Blautia,

Dorea，毛螺菌属(Lachnospira)，

罗氏菌属(Roseburia)也属于常见菌属，但占比通常不会很高。

在婴幼儿的肠道菌群中核心菌包括：

双歧杆菌属(Bifidobacterium)，韦荣氏球菌属(Veillonella)，通常2岁以下婴幼儿的肠道菌群这两种菌一般至少占比30%以上。

如果你的肠道菌群构成中基本见不到这些核心菌或占比很小，那么肠道菌群很可能已经出现问题。

古细菌，病毒，真菌和其他真核生物

古细菌

人类微生物组除了我们关注最多的细菌外，还包括古细菌，病毒和真核生物。在健康的人类微生物组（主要是肠道）中，已鉴定出少量古细菌属。其中产甲烷菌属在肠道中最多，特别是史密斯甲烷短杆菌（Methanobrevibacter smithii）非常适合人类肠道，可优化其他微生物对膳食多糖的消化，并在常见肠道细菌（如多形拟杆菌，Bacteroides thetaiotaomicron）存在的情况下适应其基因表达。

病毒

人类的病毒特别广泛是健康人类生态系统不可或缺的一部分。病毒有高变特性，因此每个人都有一个独特的病毒，主要由噬菌体组成（估计有5%的肠道细菌基因编码原噬菌体蛋白）。噬菌体还提供了另一种途径，在其他亲缘较远的细菌之间进行水平基因转移。由于古细菌，病毒和真核生物的分子谱分析技术仍不及细菌，这些生物的分子功能信息仍然有限。

真核微生物

在人体中发现的最著名的真核微生物（主要是真菌和原生生物）虽然通常是致病菌，但此类真核生物在健康人群中也普遍存在，特别是念珠菌(Candida)，马拉色菌(Malassezia) 和Saccharomyces。

不同部位的相互作用至少负责健康微生物组的部分生态和免疫平衡。例如，在皮肤生化环境中细菌和真菌之间存在明显的竞争，或是乳酸菌控制肠道和阴道真菌。

人类与真菌之间存在直接的相互关系：其中最典型的特征是益生菌(Saccharomyces boulardii)，最初是为了对抗霍乱而分离的。一些原生动物甚至是健康微生物群落的常见物种，变异比细菌更大。此外，某些原生动物的存在，例如常见的芽囊原虫属Blastocystis，与降低胃肠道疾病的风险有关。

健康微生物组的地理变异

对比来自不同国家的肠道微生物组的研究，已经确定了微生物组成的系统差异。比较欧洲的MetaHIT，美国的HMP和中国的糖尿病队列这三大块，发现国家间的生物分类组成差异大大超过了个体间的差异，这不止是由于技术差异或者实验方法造成的，地理学因素也是微生物组大规模变化的原因之一，包括北美和南美，欧洲和非洲，韩国和日本以及俄罗斯和中国的农村和城市人口之间的差异。

在这种变化的可能驱动因素中，主要因素是饮食，以及其他因素，包括地理，早期生命暴露和遗传等。还没有一项研究表明健康微生物群大量种群间差异的原因是这些因素其中的任何一个。

有意思的是菌株水平上也存在地理差异，特别是当菌株特征比微生物丰度曲线表现出更大的时间稳定性。该领域的研究是初步的，但表明国家或大洲之间的菌株差异不是特别明显。诸如拟杆菌属（Bacteroides coprocola）和普雷沃氏菌（Privotella copri）之类的物种在跨越人群的抗生素抗性基因中表现出最大的差异和菌株水平变异。

06 健康标志（核心功能）

虽然在所有地点的微生物组的分类组成中有巨大的个体间差异，但在一个特定地点，个体间代谢途径的丰富程度相当一致。

此外，微生物组的组成在生命的最初几年发生了巨大的变化，但这种功能性特征在生命早期就已经建立，并在此后保持稳定，至少在肠道。这表明，“核心”健康微生物群的一个定义是，它们的组合、代谢模块和调节途径共同促进了与宿主相关的稳定生态。

这个核心包括至少三类功能

第一，也是最简单的，所有微生物生命所必需的管家功能，例如转录和翻译、能量生产和结构成分。

第二，这一核心包括人体相关的微生物群在身体部位的特定过程，如与宿主细胞表面的黏附，以及与宿主与微生物相互作用有关的化合物的产生(包括必需的维生素，如维生素K和免疫刺激化合物)。

第三，不同的身体栖息地各有其特殊的核心功能。例如，在肠道中，核心功能包括糖胺聚糖的生物降解、几种短链脂肪酸的产生、特定脂多糖的富集以及维生素和必需氨基酸的产生。在一个特定的人群中，哪种功能趋于丰富，会受到长期的选择压力（如饮食）的影响。

健康微生物群的另一个标志是生态系统的恢复力。

07 微生物群的抵抗力，弹性和稳定性

从微生物生态学角度来看，健康的其他标志是抵抗干扰（可能是由于病原体进入，饮食或药物治疗而引起）以及随后恢复健康状态的能力。这些特性分别被称为阻力和回弹力。

系统在冲击（阻力）期间持续存在的能力以及在干扰影响（恢复）后恢复到基线的能力决定了整体的弹性。从概念上讲，下图对此进行了说明。

S. K. Dogra et al., Front. Microbiol.2020

例如，经过抗生素治疗后，健康的肠道菌群通常会在几周到几个月后恢复到以前的状态。因此，微生物健康的最新定义明确地不包括单一静态，而是动态平衡。

原生状态、扰动、回到原始状态或过渡到新状态概念图解

S. K. Dogra et al., Front. Microbiol.2020

一个有弹性的微生物群在受到扰动后将恢复到原来的平衡状态，而非弹性微生物群将转向一个改变后的新状态。

在这种观点下，健康的微生物组相当于潜在动力系统的吸引子。吸引子同时捕获抵抗力和弹性，因为系统将抵抗吸引者的偏离，并且除非波动（可能是由于外部扰动或内部随机性引起的）足够大，否则它将倾向于返回到稳态区域。

人类微生物组中最明显的例子可能是健康阴道中的群落状态类型之间的转换。不是所有菌群类型都具有相同的稳定性。肠道微生物组也在不断变化，随着时间的流逝而增加和减少物种，不同的分类单元具有不同的稳定性，并且某些微生物在肠道中持续存在多年。

特定分类群持续存在的机制还不明确，但是有趣的是推测这种机制是否可能与微生物组组装背后的驱动原理有关。如果特定的群落确实主要是为了组装来填补一组适合栖息地的功能生态位，那么在特定的组装中提供关键的代谢，信号传导，免疫调节或其他作用的物种可能比功能外围的物种在时间上更稳定。

因此，动力学与微生物组的分类学多样性和巨大的分子功能潜力之间的耦合，提醒了人类微生物组的复杂性，因此也难以定义简单的微生物健康概念。

08 现代农业与人类健康肠道微生物

植物和人类微生物群是相互关联的。

健康土壤，健康植物与健康肠道微生物

人类的肠道微生物群和植物的土壤和根茎微生物群在相似的环境条件下存在

Heribert Hirt, EMBO Reports (2020)

最近的研究表明，根部和肠道微生物群落的存在条件相似。

两者都是开放系统，其特征在于氧气，水和pH的梯度会产生多种不同的生态位。 

两种系统都从环境中继承其微生物物种：分别是人类的食物和植物的土壤。植物和肠道系统由大量相似的细菌门组成（Firmicutes，Bacteroidetes，Proteobacteria，Actinobacteria）

与人类粪便转移类似，从抑制疾病的土壤中移植有益微生物可以保护植物免受各种疾病的侵害。

 对不同的哺乳动物食草动物和食肉动物的研究表明，肠道微生物组从食用原始植物材料中吸收纳入了一些成员。

根与肠微生物合成必需的氨基酸，维生素和许多其他调节其宿主免疫系统的次生代谢产物。

因此，植物和肠微生物群可以被视为对宿主健康至关重要的代谢器官。

植物微生物群对人体肠道微生物群的直接和间接影响

Heribert Hirt, EMBO Reports (2020)

饮食与微生物组

西方饮食中肉类消费量增加，蛋白质的高输入也极大地影响了肠道微生物组，某些微生物会抑制有益菌并改变我们的饮食习惯，以偏爱更不健康的食物。

人类少数必需化合物是由微生物产生的，微生物本身是必需氨基酸和维生素的重要生产者。例如，钴胺素（维生素B12）不能由植物或动物产生；它是由植物微生物群或反刍动物肠道中的微生物合成的。

土壤、气候对菌群的影响

土壤侵蚀和气候变化也影响微生物多样性，并导致大面积耕地及其微生物群的损失。因此，今天的作物缺乏许多重要的共生菌来生产或增加维生素、矿物质、抗氧化剂和其他对植物和人类健康有益的代谢物。

农药对菌群的影响

大量研究表明许多常用农药对人体健康的负面影响。例如，大多数铜基杀真菌剂对固氮细菌具有有害作用。

许多新鲜水果，蔬菜长期保存和运输用到农药，这些化学物质不仅会通过食物进入人体肠道，还会杀死植物微生物。

除草剂——草甘膦杀灭杂草，确保作物高产。然而草甘膦对人类的急性毒性较低，但草甘膦对于人类而言是潜在的致癌物质。草甘膦对土壤、植物和肠道有益微生物的抑制浓度远低于致病微生物。就人体肠道微生物组而言，对有益菌双歧杆菌（Bifidobacterium sp.）以及肠球菌属的抑制作用比致病菌梭状芽孢杆菌和沙门氏菌的抑制作用大。

农业抗生素影响微生物组

农业使用的抗生素大约是人类医学的四倍。 

在农场中滥用抗生素来促进牲畜的生长，这极大地促进了耐药细菌的出现； 

动物排出的抗生素会改变微生物的功能和土壤，水道及其他生物群落的组成；

食用抗生素处理过的动物的肥料施肥的田地上的新鲜农产品的消费可以将抗性基因传播到人类肠道微生物组，并进一步出现具有多重耐药性的人类病原体。

09 总 结

人体胃肠道微生物组对于维持人体健康至关重要。鉴于健康个体中微生物群落结构的复杂性和多样性，目前可能难以界定基线“健康”微生物群的特征属性。随着人类微生物组研究取得了技术进步，需要利用大样本人群来确定这个边界以及哪些关键因素会影响和塑造肠道微生物。重要的是更好地了解数万种不同微生物物种在与宿主之间的复杂相互作用网络中的功能和作用。

此外，减少肥料，杀虫剂和除草剂的使用量提供健康的绿色食品有助于人类建立和维持健康的肠道微生物组。因此，有关微生物群落对宿主代谢和健康的整体作用的研究不应仅仅停留在人体肠道微生物组上，而应扩展到植物的微生物群及其在植物生长发育中的功能。

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