互动科普

2008年1月1日，欧盟联合国际顶尖科研团队，启动了迄今最大的肠道细菌基因研究计划——“人类肠道宏基因组计划”（Metagenomics of the Human Intestinal Tract，MetaHIT）。该计划是由欧盟第七框架计划资助的子项目之一，包括了来自中国、美国、丹麦、法国、日本、西班牙、英国、芬兰8个国家学术界和工业界的13个成员。预计将持续4年，耗资2100万欧元，对人类肠道中的细菌进行了一次全面“基因普查”。经过两年的努力，科学家取得了很多重要的研究进展。2010年，在国际顶级科学杂志《科学》（Science）与《自然》（Nature）上，几乎同时发表了关于肠道菌群方面的重要研究成果。科学界正在慢慢揭示我们与肠道微生物的关系，逐渐清晰地了解了肠道菌群帮助维持人体健康的机制。

一把神奇的钥匙

很多人可能会疑惑，为什么要研究肠道细菌基因，难道人类基因组还不足以帮我们解答人类自身的奥秘吗？的确，10年前，当人类基因组计划工作草图完成时，不仅是学术界，整个世界都为之雀跃，此后公众的广泛关注和讨论也不断升温。

毫不夸张地说，我们已经进入了“基因时代”，“生命密码”已经被初步破译，人类对自己的研究将愈发深刻。当科学家们都以为可以真正了解我们自己生命奥秘的时候，有关人类的所有健康的诸多问题却悄悄指向了一个不被我们足够重视的领域——那就是肠道菌群（gut flora），一个数量庞大，却被我们忽视的群体。人体肠道微生物群落基因组中蕴含更加丰富而重要的信息，那或许才是揭开生命奥秘的终极密钥。

2010年初的《自然》杂志以封面故事的方式介绍了人肠道微生物的基因目录，这项MetaHIT计划的研究小组取得的阶段性成果，引起了广泛关注。该课题组收集了来自丹麦和西班牙124人的肠道菌群的样本——这124名欧洲人包括健康的、超重的和肥胖的以及炎症患者，科学家对他们的粪便进行取样分析。通过粪便取样是当前研究肠道微生物的一个重要方法，在以前，要是想对肠道微生物进行基因测序，就需要侵入人体肠道收集样本，采集大量的微生物样本，这种方法不仅技术难度高，而且成本也太大。现在的方法就便捷多了，因为“便便”在“面世”前几乎经历了全部肠道，作为食物最终产物被排出体外，其中除了食物中不消化的纤维素、结缔组织、上消化道的分泌物和我们自身的细胞，当然还包括人体肠道内的全部细菌。因此，我们只需要手指尖那么大一点点“便便”样本，就可以进行人体肠道菌群基因组的研究。

取得样本后，科学家就要对基因进行分析了，这同样是个任务繁重的活，为了高效快捷地完成工作，科学家采用了分段扫描的方式，通俗地说就是“鸟枪法”（shotgun，也称“霰弹法”）。顾名思义，就是像装填霰弹的鸟枪打鸟一样，先将目的DNA随机地处理成大小不同的片段，然后测定每个小片段序列，再将这些片段的序列连接起来，并确定它们在基因组中的正确位置。这和我们平时玩的拼图游戏也很相似，都是将散乱的碎片变成一个有机的有序的整体。果蝇和人类基因组的测序工作都是用这种方法完成的，证明了其在测定大基因组上的可行性和有效性。因此，这种方法便成了“人类肠道宏基因组计划”基因测序的首选。

因为我们自身新陈代谢作用会导致体内细胞脱落并随便便排到体外，有研究表明，每克人新鲜粪便中会含有10万个肠道细胞，而且大部分是活细胞。所以，粪便中会存在大量人类自身的DNA，但实际情况却是在测得的6千亿的碱基序列中99％的基因并非人类自身所有，而是来自于人体内的微生物。经过序列组装和基因注释分析，从中获得330万个非冗余的人体肠道宏基因组的参考基因，远远超出人类自身的2万多个基因，约是人自身基因的150倍。

这些基因集中包含了绝大部分目前已知的人体肠道微生物基因，分属1000～1150种细菌，平均每个人体内约含有160种优势菌种，并且这些细菌是绝大部分个体所共有的，其中至少57种几乎所有人都有，40％的细菌种类能在半数研究对象肠道中找到。但发现的结果中，更多的则是目前未知微生物的基因。根据由这些基因所编码的各种不同功能，研究人员就有可能对肠道疾病进行研究和治疗。

几乎在《自然》杂志发表科研成果的同时，《科学》杂志也发表了关于肠道菌群方面的重要研究成果，报道了肠道微生物与肥胖相关性“代谢综合症”的关系。两大国际顶尖学术期刊同时重拳出击，是表明科学界对肠道菌群愈来愈重视的强烈信号。

我们不是纯粹的人

人体内存在大量的共生菌群，这些细菌大部分寄生在人的肠道中，超过1000万亿个。这是怎样一个概念呢？成年人体内共有细胞约100万亿个，细菌数量则是人体总细胞数的10倍。如果按重量计算,人体内肠道微生物的重量约为1千克，换算一下，相当于我们自身体重的大约1/50到1/100。据调查，动物粪便干重的30%左右都是细菌。美国分子生物学家史蒂文·吉尔说：“我们多少有些像一个由细菌和人类细胞组成的混合体，有人估计，在人体内的细胞中，90％是细菌。”换言之，我们似乎不完全是人，或说不是一个像蒸馏水那样纯净的人，而是一个共生生物——人与细菌的混合体。欧洲分子生物学实验室研究人员杰伦·拉埃说道：“基本上，人体就是一个移动的细菌聚居地。”现在,有学者将人体肠道内微生物群落看作是人体的一个器官,像生理学家描述人体普通器官一样,建议用“微生物器官”（microbial organ）来描述肠道微生物菌群。而肠道微生物所蕴含的遗传信息更是引人注目，如果说，人类基因组蕴含着大量的信息，那么肠道微生物基因组的信息就是海量的。

一种肠道微生物的基因组可能要小于人类基因组，但微生物在种类和数量上的优势却毋庸置疑，因此一个健康成年人肠道内正常微生物的全部基因组数量就异常庞大，远远超出人类基因组的总和。在已发现的细菌基因中，研究人员只对其中不足30％的基因有过系统研究，另外有40％的基因虽然来自于已知细菌，但未经过仔细研究。不仅如此，还有至少25％的基因研究人员从未见过。从这些遗传信息一方面能够看到肠道微生物如何适应多变的环境，比如根据环境有选择性地表达基因来获取营养、躲避免疫攻击以及其他种群的攻击；另一方面，也可看到它们如何影响着人体的生理代谢和生长发育。诺贝尔奖获得者Joshua Lederberge曾经建议用“微生物组”（microbiome）来定义人体内正常微生物基因组的集合。这一巨大的宝库被称为我们的第二基因组。

越来越多的研究者将人视为由人体和相关微生物共同组成的“超生物”，同样，完整的人类基因组（metagenome，宏基因组）也应该包括己经破解出的人类基因组部分和正常微生物基因组部分，应当从人体自身基因组和微生物基因组结合体的角度来进行研究。MetaHIT计划就是关注这些小家伙，希望通过研究人类肠道中的所有微生物群落，进而了解它们在体内的分布以及与人类的关系，最终攻克一些疑难病症。

大肠杆菌

互帮互助共同进步

在漫长的进化过程中，我们肚子里的这些小家伙与人类已经达成了良好的合作协议。一方面，我们为肠道微生物提供稳定的富营养的栖息环境，同时有选择地让某些微生物定植。要知道，肠道微生物对于生长环境的要求那是相当苛刻，绝大多数是专性或兼性厌氧微生物，也就是见不得氧气，在自然界中很少见到这种厌氧环境，但偏偏肠道的生理特性提供了适宜的生存环境，是一种天然的厌氧环境，满足了其生长和繁殖所需的条件。即使有少量的氧气随食物颗粒混进肠道，也会被肠道上部的好氧菌和兼性菌所耗尽。另外，充足的营养物质，恒定的温度和接近中性的pH值等，肠道也能一一满足。

另一方面，肠道微生物对人体的免疫、营养和代谢等起着至关重要的作用。首当其冲的就是帮助我们消化一些人体不能直接消化的物质，像纤维素、半纤维素、果胶、抗性淀粉等植物多糖，我们人类自身对这些都无能为力。而肠道微生物可以降解多糖，供宿主吸收和利用，扩大了宿主可利用原料的范围和提高了能量利用效率。我们身体靠碳水化合物获得的能量中,有10%～15%都是依赖于肠道细菌的酵解。因此，肠道微生物可以影响甚至在一定条件下决定宿主的能量吸收。另外，微生物及其代谢产物还可以影响宿主黏膜免疫系统的发育、血管发生、肠道上皮的修复更新及肠道功能的维持等等。特别是能够促进早期肠道的发育成熟，并帮助肠道建立起完善的免疫功能，所以对新生儿尤为重要。肠道微生物群落及其基因组赋予人类一些没有必要在人类身上进化出的遗传和代谢功能，从而弥补人类某些生物学缺陷，因此，人体共生微生物的组成和状态可以真实而准确地反映人体的健康状况。

肠道微生物与人类的这种小默契，是上亿年间二者彼此强烈选择和协同进化、互惠互利的结果。比较基因组学调查表明，在不同种类的哺乳动物体内存在不同的细菌亚种，而这些亚种来自共同的祖先。这就说明，在很早的时候，这些细菌就与哺乳动物形成了共生体系，随后进化出的不同亚种，是其与宿主共同进化的结果。宿主对肠道微生物进行选择的同时，肠道微生物也在不断地对宿主进行选择。如果这种选择作用对宿主有利，就会增加宿主数量，随之带来了自己生存环境的扩大，反之亦然。可见，协同进化的结果带来了宿主获益和肠道微生物菌群多样性，保证了肠道生态系统处于最佳稳定状态。

我们已经在肠道微生物的研究上迈出了坚实的一步，取得了一些成绩，也发现了很多以前几乎完全不知道的有趣现象。比如肥胖，研究了几十年，最近却发现，肥胖也可能与肠道微生物有关，在动物实验中，将胖小鼠的肠道微生物接到瘦小鼠体内，瘦小鼠也会变胖。而本文开头提到的《自然》杂志的研究，就采集了患有肥胖症的病人的样本，并已经发现这些病人肠道菌群的基因组成和正常人有很大不同。这无疑为治疗肥胖症打开了一个新的突破口。

另外，不久前，科学家发现日本人偏爱寿司，正是因为他们体内的一种肠道微生物在长久进化中获得了只有在海洋微生物中才有的消化海藻的特殊酶，而这种酶在其他地方人的体内没有。这似乎从一定程度上说明了“一方水土养一方人”，某一特定的人群可能只能从某一特定的饮食中摄入能量，而这种偏好是由肠道微生物决定的。

这样看来，肠道微生物研究有理由让我们充满期待。

（本文发表于《科学世界》2010年第8期）