[科普中國]-腸道微生物

腸道微生物指動物腸道中存在的數(shù)量龐大的微生物,這群微生物依靠動物的腸道生活,同時幫助寄主完成多種生理生化功能。

腸道不僅是人體消化吸收的重要場所，同時也是最大的免疫器官，在維持正常免疫防御功能中發(fā)揮著極其重要的作用。人體腸道為微生物提供了良好的棲息環(huán)境，成人腸道內(nèi)的微生物數(shù)量高達(dá)10^14個；質(zhì)量達(dá)到1.2kg，接近人體肝臟的質(zhì)量；其包含的基因數(shù)目約是人體自身的150倍，1具有人體自身不具備的代謝功能。

作為人體最龐大、最復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，腸道微生物本身及其代謝產(chǎn)物不僅能調(diào)節(jié)人體健康，更在膳食和宿主之間起到了重要的橋梁作用。正如諾貝爾獎獲得者Joshua Lederberg曾指出的，人體與人體共生微生物構(gòu)成了超級生物體(superorganism)。2

結(jié)構(gòu)與組成人群共同點2 0 0 5 年， Eckburg 等通過宏基因組研究發(fā)現(xiàn)，腸 道 微 生 物 在 系 統(tǒng) 發(fā) 育 地 位 上 基 本 分 屬 厚 壁 菌 門( Firmicutes ) 、擬桿菌門( Bacteroidetes ) 、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、梭桿菌門(Fusobacteria)6大門，其中擬桿菌門和厚壁菌門為主要優(yōu)勢菌群。2010年，歐盟Meta HIT項目組在Nature發(fā)表了人體腸道微生物菌落的基因目錄，共獲得330萬個人體腸道元基因組的有效參考基因，約是人體基因組的150倍。從這一基因集中估計，人體腸道中至少存在著1000～1150種細(xì)菌，平均每個宿主體內(nèi)約含有160種優(yōu)勢菌種。進(jìn)一步研究表明，不同年齡、體質(zhì)量、性別及國籍的人群腸道微生物都大致可分為三種類型，即擬桿菌型(Bacteroides)、普氏菌型(Prevotella)及瘤胃球菌型(Ruminococcus)。3

人群差異雖然人體腸道微生物的主要組成類群非常相似，但在不同宿主個體間，不同微生物類群的相對含量和菌株種類存在著很大差異。影響微生物菌群差異的因素包括宿主的地域、年齡、生理狀況、飲食習(xí)慣等因素。在地域方面，一項對來自非洲、南美和美國的人群展開的研究表明來自不同文化和地理位置的人們腸道細(xì)菌多樣性上存在著顯著的差異。4在年齡方面，嬰兒的腸道微生物組成與成年人有很大不同。而老年人(65歲以上)腸道微生物中擬桿菌屬所占比例比年輕人(28～46歲)高出16%，且梭菌屬在兩者之間也存在著豐度差異。5從生理狀況角度，一項對孕婦腸道微生物組成的調(diào)查表明懷孕前3個月和后3個月的時間里，微生物組成發(fā)生了顯著改變；在懷孕期間，孕婦腸道中的有益細(xì)菌數(shù)量明顯降低，相反，致病細(xì)菌的數(shù)量急劇上升，研究者認(rèn)為這是免疫系統(tǒng)或者激素在發(fā)揮作用。6而接受長期護(hù)理的患病老年人腸道微生物的菌群多樣性也顯著低于健康老人的菌群。7

值得一提的是，膳食因素也是改變腸道微生物的重要因素之一，更是最容易改變或控制的因素。不同人群由于膳食習(xí)慣的不同，對于膳食因子的攝入有很大不同，由此引起的腸道微生物組成、結(jié)構(gòu)與功能也會存在較大差異。人體腸道中核心主導(dǎo)菌群與膳食模式中蛋白、脂肪和糖類成分的比例有關(guān)，擬桿菌屬在長期以蛋白質(zhì)和脂肪為主要膳食成分的人群中占主導(dǎo)地位，而在以碳水化合物，膳食纖維類，植物性飲食為主要膳食成分的人群中，普氏菌屬則占核心地位。此外，富含高飽和脂肪酸的膳食能改變腸道微生物組成，并促進(jìn)原本較低豐度的亞硫酸鹽還原菌及沃氏嗜膽菌的增殖。另一項對歐洲兒童(西方特色飲食)及非洲兒童(非洲農(nóng)村飲食)的腸道微生物研究表明，相比于歐洲兒童，非洲兒童腸道微生物種群中厚壁菌門量偏低而擬桿菌量偏高8。通過對腸道微生物宏基因組的挖掘，有研究發(fā)現(xiàn)日本人群腸道中含有能夠分泌藻類代謝酶的微生物菌株，且該菌株屬于日本人群腸道特有微生物。其原因可能在于日本居民長期以海藻類植物為食，最終使能夠分泌降解海洋性植物酶的微生物在腸道里逐漸定殖。9

功能功能基因的發(fā)掘隨著宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，腸道微生物的生理功能逐漸在基因?qū)用娴玫搅税l(fā)掘和證實。2006 年美國基因組研究所在采用鳥槍測序法對人體腸道微生物組進(jìn)行宏基因組測序基礎(chǔ)上，解析了腸道微生物的基因功能。結(jié)果表明與同源基因信息庫(COG)中其他微生物相比，腸道微生物基因組中富含參與碳水化合物、氨基酸、甲烷、維生素和短鏈脂肪酸代謝的基因，其中很大一部分是人體自身所不具備的，表明腸道微生物是人體代謝的重要參與者。10

對生理功能的調(diào)控腸道微生物是人體代謝的重要參與者，為人類代謝過程提供底物、酶和能量；同時代謝產(chǎn)生的脂肪酸等促進(jìn)人體上皮細(xì)胞生長與分化，并參與了維生素的合成和各種離子的吸收。由于腸道是人體內(nèi)最大的免疫器官，腸道微生物與宿主在腸道黏膜表面的交流促進(jìn)了免疫系統(tǒng)的建立和發(fā)展，成為人體重要的免疫屏障。11另外，腸道微生物還通過形成“菌膜屏障”而為人體提供保護(hù)功能。2

與腸道疾病的關(guān)系人們已經(jīng)認(rèn)識到，濫用抗生素導(dǎo)致的腸道微生物失調(diào)會提高腸道疾病發(fā)生的幾率。一個較為經(jīng)典的例子就是因手術(shù)入院治療的病人在服用廣譜抗生素后易患感染性腹瀉，其主要原因為腸道微生物失調(diào)而引起的偽膜性結(jié)腸炎。隨著對腸道微生物功能的不斷挖掘，腸道菌群失調(diào)與腸道疾病發(fā)生之間的機(jī)制逐漸得到闡釋。12

與肥胖的關(guān)系肥胖已經(jīng)成為一個世界性的難題。據(jù)國際衛(wèi)生組織估計，全世界約有10億人體質(zhì)量超標(biāo)12，全球人口的12%都屬于肥胖范疇。近年來腸道微生物和肥胖的關(guān)系受到了廣泛關(guān)注。研究人員發(fā)現(xiàn)，與瘦志愿者相比，肥胖者腸道內(nèi)擬桿菌門比例降低，放線菌門比例升高。肥胖志愿者75%腸道微生物基因來源于放線菌；而瘦志愿者42%的腸道微生物基因來源于擬桿菌門。另外有研究表明與正常個體比較，肥胖個體腸道中厚壁菌門比例較高；當(dāng)肥胖個體體質(zhì)量減輕時，其腸道微生物中厚壁菌門比例則與正常個體變得較為相似13。

與糖尿病的關(guān)系統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010年全球范圍內(nèi)用于預(yù)防和治療糖尿病及其并發(fā)癥的成本多達(dá)3760億美元，預(yù)計這一數(shù)字將在2030年超過4900億美元，糖尿病已成為一項重大公共衛(wèi)生問題。人類基因組計劃雖然完成，但人類自身遺傳密碼的破譯并沒有幫助人們找到徹底克服糖尿病的方法，科學(xué)家開始將目光轉(zhuǎn)向與人類共生，卻具有100倍于人體基因的腸道微生物上。腸道微生物中蘊含的海量遺傳信息可能是治療糖尿病的新突破口。以Ⅱ型糖尿病為例，我國華大基因研究院等單位率先完成了腸道微生物與Ⅱ型糖尿病的宏基因組關(guān)聯(lián)分析，并發(fā)表于2012年的Nature雜志中。該研究明確了中國人群中的糖尿病患者與非糖尿病患者在腸道微生物組成上的差異，發(fā)現(xiàn)Ⅱ型糖尿病患者均有中等程度的腸道微生態(tài)紊亂，且表現(xiàn)出產(chǎn)丁酸細(xì)菌種類的缺乏。14