人类微生物组计划扩展人类的定义

人类基因组计划的一个惊喜是发现人类基因组只含有20,000 - 25,000个蛋白质编码基因，大约是研究人员预期发现的数字的五分之一。为了寻找可能导致这种差异的缺失部分，研究人员开始寻找有助于人类功能的其他遗传物质来源。其中一个来源是人类微生物组。

微生物组被定义为生活在人体内部和人体内的微生物(由细菌，噬菌体，真菌，原生动物和病毒组成)的集体基因组。我们的微生物细胞数量是人类细胞的10倍。因此，为了将人类研究为由非人类和人类细胞组成的“超自然生物”，2007年美国国立卫生研究院(NIH)启动了人类微生物组计划(HMP)作为人类基因组计划的概念扩展。

虽然迄今为止PubMed包含200多篇HMP论文，但本月HMP联盟协调出版了两篇关于Nature(Human Microbiota)的主要科学报告和一套14个公共科学图书馆(PLoS)伴随论文(The Human Microbiome Project Collection)。 )报告过去五年的研究情况。

Nature论文中报道的结果是美国18至40岁年龄段300名健康成年男性和女性微生物组的更大队列研究的子集。这些论文中的数据来自对来自242名健康成年人的4,788份临床标本的分析：129名男性和113名女性。男性志愿者在口腔，鼻子，皮肤，下胃肠道和阴道的18个部位对15个部位和女性进行取样。在这些个体中，大约200天后再次对131个样品进行取样以评估其微生物组的稳定性。这些受试者在研究期间均未服用抗生素或免疫调节剂，并且所有受试者在取样前在所有身体部位经临床验证没有明显的疾病。

这项研究的第一个惊喜：对这些微生物组(即宏基因组)的完整基因含量和组成的分析预测，这些健康成人的人体中可能存在超过800万个与微生物组相关的独特微生物基因。与人类基因总数相比，这表明微生物组对人类超生殖的遗传贡献可能是人类基因组遗传贡献的数百倍。

此外，有些令人惊讶的是，研究人员发现机会性病原体通过利用免疫系统较弱的病原体引起疾病，在这些健康人群中普遍存在。然而，没有发现高毒力的微生物，如NIAID类AC病原体，包括埃博拉(A)，沙门氏菌(B)或狂犬病(C)。哈佛大学公共卫生学院的Curtis Huttenhower博士及其合作者将这些病原体比作基因特征：即使在健康人群中，导致轻微有害特征的遗传变异也很常见，而高风险的遗传变异非常普遍。罕见。

在一项相关的研究中，圣路易斯华盛顿大学医学院的Kristine Wylie博士是George Weinstock实验室的博士后学生，他发现病毒载量增加，以及病毒多样性，3岁以下患有原因不明的发烧。Wylie博士说，由于抗生素只会杀死细菌并且不会影响病毒，因此了解可能由病毒引起的不明原因的发热可以减少不必要的抗生素使用。

微生物组中的大多数微生物不会引起疾病。事实上，人类依靠微生物来执行我们自己无法完成的许多重要功能。微生物消化食物，为宿主细胞提供营养，合成维生素，代谢药物，解毒致癌物质，刺激肠道内壁细胞的更新，激活和支持免疫系统。为了更好地了解这些相互作用，HMP研究人员不仅确定了分类组成，还确定了这些身体部位中发现的微生物群落的代谢途径。这是通过分析这些群落中微生物的集体基因组序列来实现的。事实上，生成足够测序深度的下一代测序技术的应用实现了这种分析。

所有身体部位或所有个体都没有一种常见的微生物存在。研究人员发现微生物群落在相似的身体部位之间最相似，也许是违反规定的。例如，在两个受试者之间，第一个受试者皮肤上的微生物与第二个受试者皮肤上的微生物最相似。有趣的是，他们不歧视男女。甚至双胞胎也可能有不同的微生物组，因此人类遗传学可能不会在决定微生物组成中起主要作用。

宏基因组分析还产生了这些微生物组中存在的代谢途径列表。特别有趣的是，健康个体之间的微生物成员差异很大，但其微生物组的代谢途径非常相似。在健康成人的微生物组中，这些能力包括维持细胞功能和维持身体部位生态系统所需的其他特性的所有常见“管家”特性。

环境微生物可以适应新的栖息地。例如，即使在海洋中通常罕见的降解油的微生物，在石油泄漏后，碳氢化合物降解微生物通常在海洋中开花。这是因为石油会刺激那些可以降解油脂的微生物的生长，因此它们会超过其他不能生存的微生物。是否有证据表明人类微生物群落也适应特定的身体栖息地?巴尔的摩马里兰大学医学院的研究助理Brandi Cantarel博士观察到，类似的身体部位之间的特定类别的酶(CAZymes，分解复杂的碳水化合物)非常相似，即使是组成这些社区是不同的。该观察结果表明，人类微生物群落确实适应于协同分解特定身体部位上存在的特定碳水化合物。碳水化合物成分似乎通过那些能够代谢这些身体部位特定碳水化合物的微生物驱动定植。

确定健康微生物组的构成非常重要，因为高或低的微生物多样性可能对健康或疾病产生不同的影响，具体取决于身体部位。例如，已经显示肠道中的微生物多样性低与肥胖，炎性肠病和克罗恩病相关，而阴道中的高微生物多样性通常与细菌性阴道病相关，细菌性阴道病是最常见的阴道感染类型。

此外，微生物多样性不是唯一随健康状况或疾病状态而变化的微生物群特性。例如，代谢能力的显着丧失似乎发生在与特定疾病相关的微生物组中，例如克罗恩病，溃疡性结肠炎或新生儿坏死性小肠结肠炎，这是一种早产婴儿的破坏性疾病。似乎微生物组的代谢能力的破坏可能比单独的微生物组合物更能预测疾病状态，因为微生物组合物可以在不损失代谢功能的情况下改变，但通常情况并非如此。对健康宏基因组的分析，例如在HMP中完成，提供了该领域需要区分健康微生物组的代谢特性的参考数据，

这16项主要研究以及HMP产生的200多篇论文为支持这一年轻领域的进一步研究奠定了基础。第一份HMP Nature论文描述了作为支持人类微生物组领域的社区资源而创建的大量数据，计算工具和科学方法。HMP出版物成功地证明了微生物组是人类的主要遗传信号，并为人类功能提供了必不可少的关键特性。

这仅仅是个开始。我们已经了解到生活在我们身上的细菌不是入侵者，而是有益的殖民者。希望随着研究的进展，我们将学习如何照顾我们的微观殖民者，以便他们反过来关心我们的健康。