腸道微生物與宿主的互惠共生關(guān)系

腸道微生物與宿主的互惠共生關(guān)系

人體腸道為微生物提供了良好的棲息地。成人腸道中的微生物數(shù)量為1012,1014，不僅超過人體表面的微生物數(shù)量，而且是人體自身細胞的10倍。前人研究通常將腸道微生物群落與人體的關(guān)系歸納為共棲(一個種類受益,而另一個種類不受影響)或互惠共生(兩個種類都受益)。但是,“共棲”不能正確地描述腸道微生物群落個體對于其他個體或人體的有益作用?，F(xiàn)在,許多研究者將人體腸道內(nèi)微生物群落看作是人體的一個器官,這主要是因為:微生物群落由多種細胞系組成,細胞間或細胞與宿主之間具有信息交流能力;能夠消耗、貯藏和重新分配能量;調(diào)控具有代謝重要性的化學(xué)轉(zhuǎn)換過程;能夠通過自復(fù)制來維持和修復(fù)自身;人體腸道微生物群落基因組(微生物組)中包含的基因數(shù)目大概是人體自身基因數(shù)目的100倍,具有人體自身不具備的代謝功能。因此,越來越多的研究者將人視為由人體和相關(guān)微生物共同組成的“超生物”,從人體自身基因組和微生物組結(jié)合體的角度來進行研究。在動物消化道微生物群落的研究中,反芻動物和白蟻是最常見的研究模型。反芻動物和白蟻動物以植物性食物為主,腸道內(nèi)的厭氧菌能夠降解食物中的長鏈多聚糖化合物,并將單糖轉(zhuǎn)化成為短鏈脂肪酸。研究表明,這些動物的腸道是一個調(diào)控精密的生化反應(yīng)器。在這個共生關(guān)系中,宿主獲得碳水化合物和能量,而微生物則得到多聚糖化合物和穩(wěn)定的厭氧環(huán)境。人體小腸是一個與之類似的厭氧反應(yīng)器,是腸道絕大部分微生物定植的區(qū)域。這些微生物可以降解植物膠質(zhì)、纖維素、半纖維素和抗消化淀粉等難消化多聚糖化合物。腸道微生物對人體健康和疾病的影響一直是微生物學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。現(xiàn)在,試驗生物學(xué)和生物信息學(xué)的發(fā)展使得人們可以對下列問題開展系統(tǒng)的研究:腸道微生物的多樣性,關(guān)鍵功能菌的基因組信息,微生物之間的營養(yǎng)吸收和共享機制,腸道微生物群落的適應(yīng)性以及這些微生物對人體健康的促進作用。本文綜述了人體腸道微生物多樣性和功能研究方面的研究方法和進展,并提出了面臨的一些挑戰(zhàn)。1人體腸道微生物多樣性早期的腸道微生物研究以微生物分離培養(yǎng)為基礎(chǔ)。近年來,以細菌核糖體RNA序列(16SrRNA)分析為基礎(chǔ)的未培養(yǎng)微生物研究技術(shù)的發(fā)展大大拓展了腸道微生物研究的內(nèi)容,通過對細菌分類和進化標(biāo)記基因16SrRNA基因進行測序,全面深入地反映環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性,使人們對腸道微生物有了新的認識。在相當(dāng)長的生物進化過程中,rRNA分子功能幾乎保持恒定,而且有些部位分子排列順序變化非常小,從這種排列順序可以檢測出種系發(fā)生關(guān)系。rRNA結(jié)構(gòu)既具有保守性,又具有高變性。保守性能夠反映出生物物種的親緣關(guān)系,為系統(tǒng)發(fā)育重建提供線索;高變性則能揭示出生物物種的特征核酸序列,是種屬鑒定的分子基礎(chǔ)。細菌rRNA有3種類型:23SrRNA、16SrRNA和5SrRNA。其中,16SrRNA的相對分子質(zhì)量適中,較易于進行序列測定的分析比較。目前,16SrRNA/rDNA作為一個科學(xué)可靠的指標(biāo)廣泛用于微生物遺傳特征和分子差異研究。在GenBank收錄的20多萬條微生物rRNA基因序列中,僅有1822條來自人體腸道,其中1689條屬于未培養(yǎng)微生物。雖然并不十分準(zhǔn)確,但rRNA基因序列的相似性水平已經(jīng)被廣泛用作微生物分類的基礎(chǔ)。以序列相似性水平97%作為定義微生物“屬”的初步基礎(chǔ),多樣性估計表明人體腸道內(nèi)微生物種類約為800多種,而菌株類型(獨特序列型)約為97000種。Zoetendal等運用基于16SrRNA的PCR-DGGE(denaturinggradientgelelectrophoresis,變性梯度凝膠電泳)技術(shù),分析了宿主基因型、宿主生理和環(huán)境因素對腸道微生物組成和功能的影響,發(fā)現(xiàn)成人腸道微生物群落結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定,而且具有親緣關(guān)系、獨立生活的個體具有類似的腸道微生物群落,這些結(jié)果表明宿主基因型及其相關(guān)因素是影響腸道微生物區(qū)系組成的重要因素。成人胃腸道中的微生物可分為細菌(Bacteria)、古菌(Archaea)和真核生物(Euarya)3種。與其他生態(tài)系統(tǒng)相比,人體腸道中的細菌細胞密度最高。但是,在“門”分類水平上,人體腸道微生物的多樣性水平非常低;截止到目前為止,在已知的55個細菌門中,人體腸道微生物僅有其中的8個門。其中最主要的門是CFB(包括噬胞菌屬(Cytophaga)、黃質(zhì)菌屬(Flavobacterium)和類桿菌屬(Bacteroides))和壁厚菌門(Firmicutes),每個門約占人糞便和腸道上皮粘液中細菌數(shù)量的30%。變形桿菌(Proteobacteria)也是人體腸道中的常見菌,但是數(shù)目相對較少。與此形成對比的是,土壤(有機物質(zhì)在土壤中被降解,因此土壤常被認為是陸地生物圈的消化道)微生物區(qū)系中包括了來自20多個門的細菌。胃腸道中微生物在“門”分類水平上表現(xiàn)出較低的多樣性,一方面反映出宿主對胃腸道微生物組成及其功能的選擇性壓力,另一方面也可能是由于與地球漫長的歷史相比,人類進化史相對較短而造成的。腸道中微生物組多樣性是宿主選擇性和共進化共同作用的結(jié)果。例如,在微生物分類學(xué)中,來自哺乳動物胃腸道的CFB細菌與來自共同祖先的細菌相距最遠,表明這些微生物在進入哺乳動物胃腸道、與宿主形成互生關(guān)系后,進化速度加快。而且,對GenBank中相關(guān)序列進行比較,發(fā)現(xiàn)CFB中的一些亞群主要分布在不同的哺乳動物中,表明CFB與哺乳動物的共生現(xiàn)象由來已久,而且不同的亞群與宿主表現(xiàn)出共進化的特點。與基于16SrRNA序列多樣性的指紋圖譜技術(shù)相比,16SrRNA全長基因克隆文庫技術(shù)由于分析序列片段長、信息量較大,得到了越來越多的運用。2005年,Eckburg等對3位美國健康個體腸道不同部位菌群結(jié)構(gòu)的13,355條16SrRNA基因進行了測序分析,發(fā)現(xiàn)人體腸道菌群主要由未培養(yǎng)微生物組成,是一個遠比人們預(yù)料更加復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),而且存在明顯的個體差異。每個個體都有自己獨特的腸道微生物組,腸道微生物組的組成和功能通常會隨著宿主的基因、飲食及環(huán)境等因素的變化而變化。因此,人類的腸道微生物群落被認為是人類的“第二指紋”。2基于元基因組學(xué)方法的腸道微生物設(shè)計中發(fā)現(xiàn)并積累了大量基獲取了這些未培養(yǎng)的腸道微生物的基因序列后,研究其基因序列所對應(yīng)的功能就成了腸道微生態(tài)研究的另一個重要方向,其中主要的技術(shù)是以序列分析為基礎(chǔ)的元基因組學(xué)(metagenomics)方法。元基因組指的是自然環(huán)境中全部微生物基因組的總和。1998年,JoHandelsman首次提出了元基因組學(xué)的概念。長期以來,微生物學(xué)工作者們主要依賴于分離培養(yǎng)方法來研究微生物。但是,根據(jù)早期的研究結(jié)果推斷,超過99%的環(huán)境微生物在目前可提供的培養(yǎng)條件下不能人工培養(yǎng),隨機克隆16SrRNA基因序列分析所得到的系統(tǒng)發(fā)育數(shù)據(jù)也支持這個推斷。元基因組學(xué)的出現(xiàn)改變了微生物學(xué)家研究問題的方法。元基因組學(xué)研究的基本研究策略包括:環(huán)境基因組大片段DNA的提取和純化、文庫構(gòu)建、目的基因篩選和/或大規(guī)模測序分析(圖1)。元基因組文庫中既包含了可培養(yǎng)的、又包含了不可培養(yǎng)的微生物基因和基因組,將某個自然環(huán)境中的總DNA克隆到可培養(yǎng)的宿主細胞中,從而避開了微生物分離培養(yǎng)的難題。在元基因組學(xué)研究中,借助于大規(guī)模序列分析,在基因序列分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合生物信息學(xué)工具,能夠發(fā)現(xiàn)大量過去無法得到的未知微生物新基因或新基因簇,這對了解微生物區(qū)系組成、進化歷程和代謝特點,挖掘具有應(yīng)用潛力的新基因等都具有重要意義。近4年來,隨著基因組測序成本的降低和基因組學(xué)、生物信息學(xué)工具的發(fā)展,元基因組學(xué)呈現(xiàn)出迅速的發(fā)展勢頭,在微生物分子生態(tài)學(xué)和微生物資源利用等領(lǐng)域取得了矚目的成就,被稱為“生物學(xué)研究中的革命”。元基因組學(xué)方法在人體腸道微生物群落中的應(yīng)用,大大拓展了研究范圍,積累了大量基因序列信息,為了解腸道微生物的多樣性和生物功能提供了直接的證據(jù)。2006年,Gill等以一名28歲健康女性和一名37歲健康男性糞樣為樣品,構(gòu)建了2個元基因組文庫,通過大規(guī)模鳥槍法測序,共得到33753108bp長度序列信息,含有50164個開放閱讀框。利用京都基因與基因組百科全書(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes,version37,KEGG)和同源基因信息庫COG(clustersoforthologousgroups)對這些開放閱讀框進行功能分析,發(fā)現(xiàn)腸道微生物基因組中富含參與碳水化合物、氨基酸、甲烷、維生素和類異戊二烯代謝的基因。以碳水化合物代謝中的糖苷水解酶為例,腸道微生物基因組中至少含有81個不同的糖苷水解酶亞家族,其中大部分都是人體自身所不具備的。在腸道中,碳水化合物常常被發(fā)酵生成乙酸、丙酸和丁酸等短鏈脂肪酸,然后被人體吸收。從這個途徑被吸收的能量占到人體從膳食中攝取總能量的10%。與COG中其他微生物相比,腸道微生物富集了參與短鏈脂肪酸生成相關(guān)的基因。必需氨基酸和維生素等物質(zhì)的代謝途徑也存在類似的特點。這些結(jié)果表明人體不僅是微生物與人體共生的一個超生物體,而且微生物還是人體代謝的重要參與者,代表了腸道微生物功能研究領(lǐng)域中的一個重大突破。隨后,Kurokawa等對13個來自美國和日本的未斷奶嬰幼兒和成年健康個體的腸道微生物群落進行了大規(guī)模的元基因組測序和比較分析,結(jié)果表明未斷奶嬰幼兒的腸道微生物群落結(jié)構(gòu)簡單,而且個體之間的種屬和基因組成呈明顯變異。與嬰幼兒相比,成人腸道微生物組的功能相對一致,與宿主年齡或性別無關(guān),表明成人腸道微生物的多樣性有利于保持其功能的一致性。與其他已完成基因組測序的微生物相比,成年人和嬰幼兒的腸道微生物中分別富集了237和136個基因家族。與Gill等研究一致的是,在成年人腸道微生物富集的237個基因家族中,有25%(53個)的功能與碳水化合物代謝有關(guān),其中至少有14個糖苷水解酶家族參與植物來源的膳食多糖類物質(zhì)代謝。此外,研究還鑒定647個僅存在于人腸道微生物組中的新基因家族。這些為腸道微生物組與人體的共進化提供了確切證據(jù),為了解腸道微生物在人體健康和疾病控制中的作用提供了重要基礎(chǔ)。3代謝組學(xué)與宿主代謝通過全基因組測序和元基因組方法獲得腸道微生物基因組信息后,基因組功能的解析成為了相關(guān)研究的熱點。由于基因功能的復(fù)雜性和生物系統(tǒng)的完整性,研究者越來越意識到要從“整體”層面上來理解構(gòu)成生物體系各個模塊的功能。隨著生物學(xué)研究的深入和生物信息的大量積累,使得在系統(tǒng)水平上研究生命體系成為可能。代謝組學(xué)的研究內(nèi)容是生物體系在受到外界因素干預(yù)后所產(chǎn)生的各種代謝物的質(zhì)和量及其變化規(guī)律;由于代謝(物)處于生物系統(tǒng)生化活動調(diào)控的末端,包含著反映生理表型的直接、全面的生物標(biāo)記物(biomarker)信息,因此,代謝組學(xué)日益成為整體性研究生命體系功能變化的有力手段。一般而言,代謝組(實際為代謝物組)分析流程可分為生物分析和數(shù)據(jù)分析兩大部分:生物分析的目的是產(chǎn)生數(shù)據(jù),主要步驟包括生物樣品收集、生物反應(yīng)滅活、預(yù)處理,以及運用先進技術(shù)對代謝物進行整體性化學(xué)分析(如代謝譜或代謝指紋分析)等;數(shù)據(jù)分析的目的是鑒定出反映樣品內(nèi)在機理和整體性差異的關(guān)鍵生物標(biāo)記物,主要步驟包括數(shù)據(jù)采集、原始數(shù)據(jù)前處理,以及通過現(xiàn)代化學(xué)信息學(xué)和生物統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域的新方法對獲得的多維復(fù)雜數(shù)據(jù)進行降維和信息挖掘。當(dāng)前,代謝組學(xué)的發(fā)展目標(biāo)還包括生物標(biāo)記物的功能分析和確認,最終將代謝組學(xué)方法轉(zhuǎn)化為整體認知和系統(tǒng)解析生化反應(yīng)機理和生命現(xiàn)象的新的重要手段。代謝組學(xué)為研究腸道微生物對宿主代謝的影響提供了關(guān)鍵的試驗數(shù)據(jù)。通過比較缺乏腸道微生物的小鼠(GF組)與正常小鼠(CONV-R組)之間的差異,研究人員證實腸道微生物對宿主的代謝具有重要影響(表1)。2004年,Bue562ckhed等以GF組和CONV-R組小鼠為試驗對象,飼喂富含碳水化合物的食物,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與GF組小鼠相比,CONV-R組小鼠雖然平均每日采食量較低,但是總體脂比GF組高40%。這個結(jié)果表明腸道微生物能夠提高抗消化碳水化合物的利用率,從而提高食物能量利用率。而且,將來自CONV-R組小鼠的盲腸內(nèi)容物的微生物區(qū)系定植到GF組小鼠時,能夠?qū)F組小鼠體脂提高到與CONV-R組小鼠相當(dāng)?shù)乃?。隨后的研究發(fā)現(xiàn)肥胖主要與腸道中擬桿菌門(Bacteroidetes)和壁厚菌門(Firmicutes)微生物的豐度變化有關(guān),元基因組學(xué)證據(jù)表明肥胖小鼠腸道微生物能夠從膳食中攝取更多能量。這些研究都表明腸道微生物區(qū)系對宿主代謝具有重要影響,一方面微生物區(qū)系可以影響宿主整體代謝特性,另一方面改變菌群結(jié)構(gòu)可以相應(yīng)改變宿主生理代謝特性,宿主的代謝特性受到自身基因和體內(nèi)菌群基因的雙重控制和影響。對小鼠尿液利用核磁共振(nuclearmagneticresonan