近十年來最火的生命科學(xué)研究領(lǐng)域是什么？腸道微生物必然會(huì)占有一席之地。人體是由自身細(xì)胞和共生菌群構(gòu)成的超級(jí)生物體，不同的因素如不同的飲食習(xí)慣可能導(dǎo)致不同的腸道菌群特征從而產(chǎn)生代謝的變化最后引起人體健康狀況的變化（下圖）。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)這些跟我們共生的小生命，對(duì)人體有著不可忽視的作用。從肥胖到代謝疾病，從心情到精神疾病等，相關(guān)的研究成果頻頻登上各大頂級(jí)期刊，但是目前仍缺乏系統(tǒng)性的關(guān)于腸道菌群在個(gè)體上的時(shí)間跨度的縱向動(dòng)態(tài)研究。

荷蘭格羅寧根大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的傅靜遠(yuǎn)（Jingyuan Fu）教授團(tuán)隊(duì)于2021 年 4 月 10 日在?Cell?發(fā)表了The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome 的研究性文章，對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)性的深入研究。

摘要：

對(duì)4年間的338名個(gè)體進(jìn)行了時(shí)間跨度的縱向分析表征了人類腸道微生物群的時(shí)間穩(wěn)定性和多樣性，并將腸道菌群與宿主表型聯(lián)系起來，表明血漿代謝物在介導(dǎo)微生物群對(duì)宿主生理調(diào)節(jié)中的作用；探索了宿主個(gè)體4年間腸道微生物組成的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)部分腸道微生物的遺傳構(gòu)成具有個(gè)體特異性，并利用這一特征針對(duì)性地開發(fā)了高精度腸道微生物指紋算法，通過測(cè)定糞便樣本中腸道微生物的構(gòu)成便可識(shí)別樣本屬于哪位受試者，精確程度達(dá)85-95%。

研究設(shè)計(jì)：

? 對(duì)338名志愿者的腸道微生物群進(jìn)行了Life-lines-DEEP cohort長(zhǎng)期隨訪

? 比較了相隔4年采集的樣本

? 描述了腸道微生物組成和遺傳組成的長(zhǎng)期時(shí)間穩(wěn)定性

? 描述了腸道微生物代謝物和宿主表型的相關(guān)性

旨在回答兩類問題：

(1) 哪些細(xì)菌特征既具有個(gè)體特異性又具有時(shí)間穩(wěn)定性？我們可以用這些特征作為“指紋”來區(qū)分同一個(gè)人的樣本嗎？

(2) 哪些細(xì)菌特征表現(xiàn)出較大的時(shí)間變化？它們的變化能與宿主臨床表型和生活方式的變化聯(lián)系起來嗎？因此他們分析了這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的代謝組的血漿水平，并推斷代謝物是否介導(dǎo)了腸道微生物對(duì)宿主健康的影響。

部分研究亮點(diǎn)：

1. 利用基因組技術(shù)揭示腸道微生物組成可作為宿主“指紋”

為表征腸道微生物組在宿主體內(nèi)隨時(shí)間跨度的穩(wěn)定性，他們對(duì)宿主糞便樣本中的腸道微生物的組成和多樣性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，4年后的腸道菌群的多樣性顯著增加；另外，微生物種類和組成的個(gè)體間差異大于個(gè)體內(nèi)差異，也就是說一個(gè)人的腸道微生物組成的相似度：和4年前他們自己的相比>和其他人的相比。

提示我們能否利用微生物遺傳和組成特征來區(qū)分宿主個(gè)體呢？他們通過一系列研究發(fā)現(xiàn)最終使用 71 個(gè)特征組合使分類的準(zhǔn)確率達(dá)到最優(yōu)，AUC 可 95%，特異性和敏感性分別為 99% 和 88%。然后使用獨(dú)立的人類微生物組計(jì)劃的數(shù)據(jù)集（Human Microbiome Project ，HMP）也進(jìn)一步證實(shí)了這種糞便中腸道微生物指紋方法的可靠性。LLD：population-based Lifelines-DEEP cohort.

2. 將腸道微生物組成和宿主表型相關(guān)聯(lián)

為了研究腸道微生物群在宿主健康中的作用，他們探索了微生物組成和基因組變化與宿主表型變化之間的聯(lián)系。使用縱向數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩步分析，以揭示微生物與宿主表型的關(guān)聯(lián)。首先，使用混合模型，包括年齡、性別和采樣時(shí)間作為協(xié)變量，對(duì)微生物特征和兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的51個(gè)宿主表型進(jìn)行了聯(lián)合關(guān)聯(lián)分析。接下來對(duì)時(shí)間差異進(jìn)行了回歸分析，即微生物變化和宿主表型隨時(shí)間變化之間的關(guān)聯(lián)，結(jié)果表明，體重指數(shù)、血壓、糖化血紅蛋白和抑郁是相關(guān)性最大的表型因素(圖3A)。此外還識(shí)別出了細(xì)菌豐度（圖3B）、細(xì)菌代謝通路豐度（圖3C）、細(xì)菌遺傳組成變異（圖3D）、細(xì)菌遺傳組成的缺失（圖3E）等變化與宿主的血壓、糖尿病指標(biāo)、免疫指標(biāo)及抑郁癥等變化相關(guān)。

3. 利用代謝組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)和菌株相關(guān)的代謝物

那腸道微生物是如何影響宿主表型的呢？一般認(rèn)為腸道微生物可能通過其代謝產(chǎn)物的吸收循環(huán)進(jìn)入血液甚至穿透血腦屏障來調(diào)節(jié)宿主健康的。因此他們利用代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)了宿主血漿樣品中代謝物的含量變化，并將血漿代謝物的含量和腸道菌群的變化做關(guān)聯(lián)分析，一共觀察到63種代謝物和5個(gè)物種的菌株群之間有顯著關(guān)聯(lián)。如，在292對(duì)樣本中，他們識(shí)別了與15種代謝物相關(guān)的2種不同的F. prausnitzii菌株群 (圖4A)。他們還同時(shí)觀察到這些代謝物的豐度變化和菌株具有相關(guān)性(圖4B-4E)。這些結(jié)果表明，不同的微生物菌株可能發(fā)揮不同的功能進(jìn)而會(huì)影響宿主的代謝。

4. 腸道微生物的變化與宿主血漿代謝物相關(guān)

作者還發(fā)現(xiàn)，部分腸道微生物的含量、遺傳組成的變化也和宿主的血漿代謝物有一定的相關(guān)性，比如與尿毒素及硫胺素等與心血管病及慢性腎病相關(guān)的代謝物（圖5）。其中，菌群-代謝物相關(guān)性和Blautia wexlerae的變異有關(guān)，這些變異區(qū)域具有多種功能：編碼膜結(jié)構(gòu)、尿酶和蛋白的結(jié)合等。