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在我們體內和體表居住著無數微小的微生物，其數量大約是人體細胞的十倍，這些微生物在至關重要的日常功能中發揮著重要作用。 絕大部分微生物居住在腸道中，在那裡它們幫助抵禦有害細菌並幫助消化我們吃下的食物。 但是，隨著科學家利用基因技術來揭示實際存在的微生物以及它們在腸道內的作用，他們發現這些細菌在人類健康中發揮著比以前認為的更大的作用——甚至有時可能比人類基因本身發揮更大的影響。
一個研究團隊最近完成了一份包含約 330 萬個人體腸道微生物基因的目錄。 他們由 BGI–深圳（原北京基因組研究所）的秦俊傑領導的研究成果，發表在 3 月 4 日出版的《自然》雜誌上，為不斷擴充套件的——但遠未完整的——居住在腸道中的物種普查增添了內容。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
另一個研究小組將注意力轉向了一個特定的宿主基因，該基因似乎會影響這些腸道居民。 他們發現，在小鼠中，一個關鍵基因的缺失導致微生物群落髮生變化，並導致胰島素抵抗、肥胖和其他代謝綜合徵（一系列這些疾病）症狀的增加。他們的研究結果於 3 月 4 日線上發表在《科學》雜誌上。
在沉寂數十年後，腸道微生物研究領域在過去幾年中蓬勃發展。《科學》報告的作者指出，“無法培養大多數腸道細菌使得評估它們在健康和疾病中的因果作用在技術上具有挑戰性。” 但是，基因測序技術的進步使研究人員能夠在深入瞭解這些小生物及其在健康中的作用方面取得穩步進展。 除了可以快速評估這些微生物種群外，基因組學還可以幫助闡明人類和微生物這兩個系統是如何相互作用的。
胃部調查
已知人體腸道中的微生物數量巨大，但其中發現的 330 萬個微生物基因“比我們最初預期的要多得多”，BGI 的汪俊和《自然》雜誌研究的合著者說。 考慮到在丹麥和西班牙取樣的 124 個人中，微生物群往往非常相似，這個數字尤其令人驚訝。
以前的研究也掃描過這些微生物基因。 規模最大的一次建立了約 3 千兆鹼基（十億個鹼基對）的微生物序列，而汪俊團隊組裝了超過 576 千兆鹼基，超過了前者。
埃默裡大學病理學和實驗室醫學系的 Andrew Gewirtz 說，這個龐大的目錄是該領域的“重大進展”，他沒有參與這項研究。 “它真正為詳細定義微生物組奠定了框架，”他說。 正如汪俊和他的同事在他們的研究中指出的那樣，“為了理解和利用腸道微生物對人類健康和福祉的影響，有必要破譯微生物腸道群落的內容、多樣性和功能。”
該研究小組發現，超過 99% 的基因來自細菌。“這些細菌具有對我們健康至關重要的功能：它們合成維生素，分解某些我們身體無法吸收的化合物——[並且]在我們的免疫系統中發揮重要作用，”汪俊指出。
汪俊的研究小組是歐盟委員會資助的 MetaHIT（人類腸道宏基因組學）聯盟的一部分，他們依賴於來自 124 個人的糞便樣本。 儘管假定腸道微生物多樣性非常廣泛，但研究人員發現，他們歐洲樣本中約 70% 的遺傳物質與之前檢查美國和日本受試者的研究重疊，這表明，實際上，“普遍存在的人類微生物組的大小是有限的，而且不是過大的，”研究人員得出結論。
Gewirtz 說，這是一篇“非常重要的論文，為未來的研究鋪平了道路”。 “一旦你定義了基線，你就可以開始詳細研究疾病。”
汪俊和他的同事已經考慮了下一步。 基因目錄的樣本來自兩組肥胖個體：一組患有炎症性腸病，另一組是健康人群。 對各自腸道微生物居民的基因分析“清楚地將患者與健康個體區分開來”，研究人員在他們的論文中總結道，這為診斷和最終治療提供了新的可能性。
炎症突變
隨著代謝疾病在美國和許多其他國家的患病率持續上升，越來越多的研究表明，其中一些生理變化可能根植於腸道深處——不是在人體細胞中，而是在那裡眾多的微生物中。
埃默裡大學的 Gewirtz 和他的團隊跟蹤了小鼠在經歷不同型別的代謝紊亂（如肥胖和胰島素抵抗）時的腸道微生物群。 他們培育了具有基因缺陷（特別是 Toll 樣受體 5 或 TLR5 的缺失，它在免疫反應中起作用）的小鼠，以觀察它如何改變它們的微生物腸道群落和代謝健康——並試圖瞭解變化發生的順序。 “人們非常清楚肥胖與胰島素抵抗和 2 型糖尿病有關，”Gewirtz 說。 但是，“哪個先發生並不完全清楚。”
他們發現，即使在限制飲食的情況下，沒有 TLR5 基因的小鼠仍然表現出胰島素抵抗，這表明胰島素抵抗可能導致肥胖，而不是反過來。 但是，如果允許這些小鼠隨意進食，它們會比同齡小鼠多吃 10%，並且到 20 周大時，體重指數會高出 20%。 許多研究人員和公共衛生官員將當代食品的供應（和成分）、日益久坐不動的生活方式和人類基因歸咎於更多的代謝綜合徵病例。 但小鼠研究表明，情況可能並非如此。“暴飲暴食的傾向可能源於更可能是生理性的而非基因性的變化，”Gewirtz 說。
Gewirtz 和其他人提出，炎症——與腸道微生物組的變化相結合——可能正在驅動這個迴圈。 炎症會改變腸道微生物的特性，在某些情況下，允許從食物中提取更多卡路里。 但是，Gewirtz 說，“我們不知道哪個先發生”，是炎症正在改變微生物群，還是反之亦然。 他指出，很可能是無論是什麼啟動了這個過程，它都會啟動一種反饋迴圈，其中一個的增加會加速另一個。
他們在小鼠身上的發現有多少可能轉化為人類？ 小鼠胃中的細菌在人體內找不到。 但 Gewirtz 和他的團隊注意到，人類胃中存在類似的物種。 “我們認為這很可能是合理的”，這些發現將適用於人類，特別是由於它們“符合目前研究界關於胰島素抵抗和炎症的許多想法”，Gewirtz 說。 他的團隊已經開始一項新的調查，比較患有代謝綜合徵的人和健康對照組的人類基因和微生物譜，以檢視小鼠身上出現的一些相同相關性是否也會出現在人類身上。
下一步基因步驟
雖然更全面地掌握微生物遺傳學有望進一步促進健康，但仍有許多未知的重大問題。 科學家們仍然不確定這些微生物群落是如何以及何時在每個人的腸道中建立起來的。“每個人出生時都是無菌的，”Gewirtz 說，他指出定植在出生時開始，但他們不知道何時達到相對穩定。 無論時間如何，這都意味著，“環境是決定某人微生物群的重要因素，”他補充道。
如果腸道微生物群在肥胖和代謝綜合徵等疾病中確實發揮著重要作用，那麼最近這些群落的變化可能有助於解釋發達國家患者數量和腰圍的增加。“人類的基因在過去數百年中沒有發生明顯變化，”Gewirtz 說。“但是環境中的一些變化使得腸道微生物群可能與 50 年前大不相同。”
汪俊和他的同事已經在嘗試追蹤人類腸道微生物群的組成，以檢視情況是否如此。 但他們的目標是更大的基因資料集合。“我們的夢想是建立一個參考基因組庫，”汪俊指出。 他希望在兩年內擁有 10,000 個細菌基因組。 而且，他估計，一旦出現關於這些腸道遺傳學的更確鑿的資料，以微生物為靶點的療法可能會很快隨之而來。