健康的人類微生物組

識別和糾正疾病患者微生物組的重要第一步，

就是要了解健康微生物組的特性，及沒有明顯疾病情況下的許多不同的微生物生態。

我們知道體內DNA的細微差異引起巨大的表型多樣性，也就是說大家都能區分彼此。相比之下，人體微生物的宏基因組（微生物在我們體內的總DNA含量）變化更大，只有三分之一的組成基因存在於大多數健康個體中。所以要理解健康微生物組這些差異是重大的挑戰。

本文，我們將對以下方面展開討論分析：

人類對健康人微生物組的理解史；

健康人腸道微生物群的組成和功能；

健康人微生物多樣性的範圍；

可能的驅動因素，如地理，飲食和生活方式等；

健康微生物群的核心標誌；

微生物群的抵抗力，彈性和穩定性；

有助於人類健康和疾病預防的微生物代謝途徑和種類；

現代農業與人類健康腸道微生物。

01 健康微生物組

「健康」 是指沒有任何明顯的疾病。

「微生物組」 指人體的整個微生物組，但目前大部分可獲得的數據描述的都是腸道微生物組，因此這裡討論的許多發現都來自腸道微生物組。

關於健康微生物組，有兩種假設：

第一種假設

試圖確定在健康個體中普遍存在一組「核心」微生物群，其假設是不存在此類微生物就表明失調。但健康個體之間的生態多樣性研究表明，健康人的微生物組本來就有足夠的差異，無法支持這樣的假設。

第二種假設

健康的「功能核心」：一種代謝和其他分子功能的補充，由特定棲息地內的微生物群執行，但不一定由不同人體內相同的生物體提供。

這樣的核心：

可能要作為遺傳潛能存在，就像人類基因組一樣必須嚴格，不能編碼出嚴重的有害突變才能健康；

或者可能要在個體內部有良好的表達和調控，以保持健康（也就是說，它必須由RNA轉錄組編碼或以蛋白質或小分子產物的形式存在）；

當然也可能是這兩者組合。

當然，功能核心：

必須至少包括個體微生物生命所必需的內部管理功能，這些功能必須通過基因組正確表達；

還可能包括特定於人類生態系統中微生物生態位的功能；

可能包括人類細胞無法完成的過程，因此代表了共生宿主與微生物關係的潛在基礎。 

核心功能的適應性

健康的微生物組可能會進一步通過其隨時間變化表現出來。直白地說，一個健康相關的微生物群必須對外界或內部變化有一定程度的適應性。外界例如飲食或藥物等幹擾，內部變化例如年齡的改變。

即使某個特定的群落結構提供了所有必要的核心功能，但如果沒有這種適應性，就不能長期保證核心功能。

因此，微生物組對壓力和幹擾的抵抗力及其之後恢復健康功能的能力是表徵健康微生物組的潛在特性之一。

02 對健康微生物組的理解不斷發展

早期的研究試圖通過培養和表徵菌的生理特性來確定正常的微生物群，主要在腸道中。這類研究最能突出在實驗室環境中生長良好的生物，例如大腸桿菌。這種偏見導致人們認為大腸桿菌是人類腸道微生物組中豐富而普遍的成員。

在1970年代引入了嚴格的厭氧技術，僅腸道就可以回收300多種細菌。此外，對選擇性培養基中標準系列稀釋液中活細胞的計數可以對這些物種進行定量。 

對該時代的四項大型研究的總結，研究了141名美國人在不同飲食下的糞便樣本，發現擬桿菌（Bacteroides）和厭氧球菌（anaerobic cocci）屬細菌普遍存在且數量豐富，而梭菌屬細菌則普遍存在，但豐度較低，儘管沒有在所有受試者中均觀察到單一物種。其他普遍但含量較低的細菌包括雙歧桿菌屬（Bifidobacterium），真細菌屬（Eubacterium），乳桿菌屬（Lactobacillus）和鏈球菌屬（Streptococcus），以及兼性厭氧菌如大腸埃希氏菌（Escherichia）。

當時已經有人懷疑，還有大量與人類有關的微生物種類沒有被發現，一項研究估計在一個健康的結腸中同時存在大約400種微生物。然而，發現它們也有很多障礙，比如某些微生物的培養要求嚴格，以及培養所需的勞動密集型性質等。

此外，並不是所有的微生物都可以通過在選擇性培養基上單獨培養而被很好地區分為物種或菌株。例如，不同種類的高產擬桿菌屬特別難以解開。另外，這種關於群落組成的研究甚至更難擴展到非細菌性微生物，例如病毒和真菌，對於微生物含量低於腸道的人體棲息地的研究更加不切實際。需要新方法來研究健康微生物組的這些方面。

DNA測序和螢光原位雜交（FISH）等與傳統培養無關的技術現已廣泛使用，它們的民主化使微生物樣品的DNA含量得以直接研究。使用針對16S核糖體RNA基因的FISH進行的早期研究表明，在西歐隊列中，至少三分之二的腸道細菌可歸因於大約六個物種/屬水平的一組六組細菌：兩個擬桿菌，兩個梭菌，鏈球菌 /乳球菌和直腸細菌。從那以後，這被證明是樂觀的，甚至在當時，這些樣本之間的豐度也觀察到了很大的差異（標準偏差為均值的〜60–80％）。

某些直接從樣品中直接測序16S rRNA基因的早期努力表明，對應於已知物種的85％至95％的細菌豐度可歸因於與擬桿菌，梭狀芽孢桿菌XIVa和梭狀芽孢桿菌第四類有關的三個細菌群。16S研究還顯示，健康人之間以及一個人內緊密聯繫的生物地理位點（例如黏膜和糞便樣本）之間的生物分類組成存在很大差異。然而，在所有這些研究中，當時的大多數（75–80％）序列簇與任何文獻記載的物種都不匹配，這解釋了以前工作中對多樣性的低估很多。

隨著資料庫的完善和技術的進步，目前16s尤其是在腸道菌群方面解析度也已經達到很高了，種方面能達到70%以上，40%左右能分到菌株。而且腸道菌群檢測遠不是檢出了每種菌的含量，還需要大規模人群隊列和疾病樣本的訓練以及模型構建，因此16s有其標準化和相對適合的成本，在腸道菌群中還是首選的方案。

此外，大規模並行shotgun測序（高通量測序技術）的出現已基本解決了這種微生物「暗物質」的分類學組成，雖然功能多樣性的顯著百分比（高達50%）和非參考群體的組成仍有待確定。 

最初的發現印證了人與人之間的巨大差異（甚至在雙胞胎之間），但也暗示了存在著所有個體共有的一組微生物基因。 這有助於建立這樣一種模式：就好比在每個生物體中保存的管家基因一樣，「核心微生物群」可以在功能層面而不是在分類學層面上被定義。

03 歷史上微生物群落的變化

人類和人類文明有上千年的變化，人類腸道微生物群也隨著飲食的變化而變化。例如，狩獵-採集社會的腸道微生物群落在一年中顯示出劇烈的變化，反映了食物供應的變化。此外，在這些社會中，女性和男性成員的微生物群也存在重大差異，女性的微生物群更像食草動物，而男性成員的微生物群更像食肉動物。

從早期文明到現代文明，腸道微生物群的變化也反映了衛生的變化，這在城市和農村社區之間仍然存在。

在過去的幾十年裡，隨著衛生條件的改善、加工食品和藥物（尤其是抗生素）的廣泛使用，現代生活方式似乎對人類腸道微生物群落的多樣性產生了重大影響，總體上減少了其多樣性。

人們吃的東西對腸道微生物組成的影響要比基因強得多。設想這樣兩種情況：

沒有血緣關係卻生活在一起的人（有相似的飲食習慣和生活方式）；

生活在不同地方的有血緣關係的人；

後者的微生物組表現出更大的差異。

04 人口規模基準隊列

此後，在測序和其他分子測定法的通量和成本效益仍在不斷提高的基礎上，開展了大規模項目，以表徵微生物成分的多樣性及其功能潛力。  

2010年，人體腸道基因組（MetaHIT）研究報告了來自124個歐洲成年人（主要是「健康」人群）糞便樣本的腸道基因組，當時該序列超過了以往所有微生物組研究的測序量近200倍。

2012年，人類微生物組計劃（HMP）報告了對242位來自美國的健康成年人進行16S譜分析的結果，並對139個人的亞組進行了宏基因組測序，結果代表了分布在五個主要身體區域之間的18個身體棲息地。一項針對2型糖尿病的大型中國研究很快貢獻了145個腸道宏基因組，其中大約一半來自非糖尿病對照組。此後，MetaHIT協會繼續發布來自歐洲成年人的新的腸道宏基因組。

人類微生物組群項目（HMP）和人類腸道宏基因組學（MetaHIT）倡議是第一個定義健康人體微生物組組成和功能的大型微生物組項目。這些努力為了解宿主相關微生物群落的生理和功能特性提供了基礎。

隨著新一代測序、全基因組鳥槍測序、全球代謝組學、先進的計算策略以及人性化動物模型和基於培養的人類類器官系統等新技術的出現，對微生物組的理解正在迅速進步。

05 微生物組的典型組成和多樣性

健康的腸道菌群因為個體差異較大，很難有一個精確的定義，但通過大量人群樣本數據的了解我們可以明確什麼樣的腸道菌群是不健康的。

# 多樣性

首先從多樣性的角度，一般除了2歲以下嬰幼兒，大部分的健康人的腸道菌群構成大概有200~2000種菌，如果數量過低或過高都不算健康。過低表明飲食結構過於單一或經歷了抗生素等處理。過高表明可能出現了很多不屬於腸道環境的菌。

# 核心腸道菌群的佔比

另外主要從核心腸道菌群的佔比來評估。健康的腸道菌群雖然構成多樣，但是存在一部分核心的腸道菌群，它們是腸道菌群的基石，如果這些菌的佔比不足30%表示腸道菌群環境已不由這些健康菌佔主導，很可能為病原菌提供生存環境。

這些核心的腸道菌群包括：

擬桿菌屬(Bacteroides)，

柔嫩梭菌屬 (Faecalibacterium)，

普雷沃氏菌屬 (Prevotella)，

瘤胃球菌屬 (Ruminococcus);

此外, 糞球菌屬(Coprococcus),Blautia,

Dorea，毛螺菌屬(Lachnospira)，

羅氏菌屬(Roseburia)也屬於常見菌屬，但佔比通常不會很高。

在嬰幼兒的腸道菌群中核心菌包括：

雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)，韋榮氏球菌屬(Veillonella)，通常2歲以下嬰幼兒的腸道菌群這兩種菌一般至少佔比30%以上。

如果你的腸道菌群構成中基本見不到這些核心菌或佔比很小，那麼腸道菌群很可能已經出現問題。

古細菌，病毒，真菌和其他真核生物

古細菌

人類微生物組除了我們關注最多的細菌外，還包括古細菌，病毒和真核生物。在健康的人類微生物組（主要是腸道）中，已鑑定出少量古細菌屬。其中產甲烷菌屬在腸道中最多，特別是史密斯甲烷短桿菌（Methanobrevibacter smithii）非常適合人類腸道，可優化其他微生物對膳食多糖的消化，並在常見腸道細菌（如多形擬桿菌，Bacteroides thetaiotaomicron）存在的情況下適應其基因表達。

病毒

人類的病毒特別廣泛是健康人類生態系統不可或缺的一部分。病毒有高變特性，因此每個人都有一個獨特的病毒，主要由噬菌體組成（估計有5%的腸道細菌基因編碼原噬菌體蛋白）。噬菌體還提供了另一種途徑，在其他親緣較遠的細菌之間進行水平基因轉移。由於古細菌，病毒和真核生物的分子譜分析技術仍不及細菌，這些生物的分子功能信息仍然有限。

真核微生物

在人體中發現的最著名的真核微生物（主要是真菌和原生生物）雖然通常是致病菌，但此類真核生物在健康人群中也普遍存在，特別是念珠菌(Candida)，馬拉色菌(Malassezia) 和Saccharomyces。

不同部位的相互作用至少負責健康微生物組的部分生態和免疫平衡。例如，在皮膚生化環境中細菌和真菌之間存在明顯的競爭，或是乳酸菌控制腸道和陰道真菌。

人類與真菌之間存在直接的相互關係：其中最典型的特徵是益生菌(Saccharomyces boulardii)，最初是為了對抗霍亂而分離的。一些原生動物甚至是健康微生物群落的常見物種，變異比細菌更大。此外，某些原生動物的存在，例如常見的芽囊原蟲屬Blastocystis，與降低胃腸道疾病的風險有關。

健康微生物組的地理變異

對比來自不同國家的腸道微生物組的研究，已經確定了微生物組成的系統差異。比較歐洲的MetaHIT，美國的HMP和中國的糖尿病隊列這三大塊，發現國家間的生物分類組成差異大大超過了個體間的差異，這不止是由於技術差異或者實驗方法造成的，地理學因素也是微生物組大規模變化的原因之一，包括北美和南美，歐洲和非洲，韓國和日本以及俄羅斯和中國的農村和城市人口之間的差異。

在這種變化的可能驅動因素中，主要因素是飲食，以及其他因素，包括地理，早期生命暴露和遺傳等。還沒有一項研究表明健康微生物群大量種群間差異的原因是這些因素其中的任何一個。

有意思的是菌株水平上也存在地理差異，特別是當菌株特徵比微生物豐度曲線表現出更大的時間穩定性。該領域的研究是初步的，但表明國家或大洲之間的菌株差異不是特別明顯。諸如擬桿菌屬（Bacteroides coprocola）和普雷沃氏菌（Privotella copri）之類的物種在跨越人群的抗生素抗性基因中表現出最大的差異和菌株水平變異。

06 健康標誌（核心功能）

雖然在所有地點的微生物組的分類組成中有巨大的個體間差異，但在一個特定地點，個體間代謝途徑的豐富程度相當一致。

此外，微生物組的組成在生命的最初幾年發生了巨大的變化，但這種功能性特徵在生命早期就已經建立，並在此後保持穩定，至少在腸道。這表明，「核心」健康微生物群的一個定義是，它們的組合、代謝模塊和調節途徑共同促進了與宿主相關的穩定生態。

這個核心包括至少三類功能

第一，也是最簡單的，所有微生物生命所必需的管家功能，例如轉錄和翻譯、能量生產和結構成分。

第二，這一核心包括人體相關的微生物群在身體部位的特定過程，如與宿主細胞表面的黏附，以及與宿主與微生物相互作用有關的化合物的產生(包括必需的維生素，如維生素K和免疫刺激化合物)。

第三，不同的身體棲息地各有其特殊的核心功能。例如，在腸道中，核心功能包括糖胺聚糖的生物降解、幾種短鏈脂肪酸的產生、特定脂多糖的富集以及維生素和必需胺基酸的產生。在一個特定的人群中，哪種功能趨於豐富，會受到長期的選擇壓力（如飲食）的影響。

健康微生物群的另一個標誌是生態系統的恢復力。

07 微生物群的抵抗力，彈性和穩定性

從微生物生態學角度來看，健康的其他標誌是抵抗幹擾（可能是由於病原體進入，飲食或藥物治療而引起）以及隨後恢復健康狀態的能力。這些特性分別被稱為阻力和回彈力。

系統在衝擊（阻力）期間持續存在的能力以及在幹擾影響（恢復）後恢復到基線的能力決定了整體的彈性。從概念上講，下圖對此進行了說明。

S. K. Dogra et al., Front. Microbiol.2020

例如，經過抗生素治療後，健康的腸道菌群通常會在幾周到幾個月後恢復到以前的狀態。因此，微生物健康的最新定義明確地不包括單一靜態，而是動態平衡。

原生狀態、擾動、回到原始狀態或過渡到新狀態概念圖解

S. K. Dogra et al., Front. Microbiol.2020

一個有彈性的微生物群在受到擾動後將恢復到原來的平衡狀態，而非彈性微生物群將轉向一個改變後的新狀態。

在這種觀點下，健康的微生物組相當於潛在動力系統的吸引子。吸引子同時捕獲抵抗力和彈性，因為系統將抵抗吸引者的偏離，並且除非波動（可能是由於外部擾動或內部隨機性引起的）足夠大，否則它將傾向於返回到穩態區域。

Lloyd-Price et al. Genome Medicine (2016)

人類微生物組中最明顯的例子可能是健康陰道中的群落狀態類型之間的轉換。不是所有菌群類型都具有相同的穩定性。腸道微生物組也在不斷變化，隨著時間的流逝而增加和減少物種，不同的分類單元具有不同的穩定性，並且某些微生物在腸道中持續存在多年。

特定分類群持續存在的機制還不明確，但是有趣的是推測這種機制是否可能與微生物組組裝背後的驅動原理有關。如果特定的群落確實主要是為了組裝來填補一組適合棲息地的功能生態位，那麼在特定的組裝中提供關鍵的代謝，信號傳導，免疫調節或其他作用的物種可能比功能外圍的物種在時間上更穩定。

因此，動力學與微生物組的分類學多樣性和巨大的分子功能潛力之間的耦合，提醒了人類微生物組的複雜性，因此也難以定義簡單的微生物健康概念。

08 現代農業與人類健康腸道微生物

植物和人類微生物群是相互關聯的。

健康土壤，健康植物與健康腸道微生物

人類的腸道微生物群和植物的土壤和根莖微生物群在相似的環境條件下存在

Heribert Hirt, EMBO Reports (2020)

最近的研究表明，根部和腸道微生物群落的存在條件相似。

兩者都是開放系統，其特徵在於氧氣，水和pH的梯度會產生多種不同的生態位。 

兩種系統都從環境中繼承其微生物物種：分別是人類的食物和植物的土壤。植物和腸道系統由大量相似的細菌門組成（Firmicutes，Bacteroidetes，Proteobacteria，Actinobacteria）

與人類糞便轉移類似，從抑制疾病的土壤中移植有益微生物可以保護植物免受各種疾病的侵害。

 對不同的哺乳動物食草動物和食肉動物的研究表明，腸道微生物組從食用原始植物材料中吸收納入了一些成員。

根與腸微生物合成必需的胺基酸，維生素和許多其他調節其宿主免疫系統的次生代謝產物。

因此，植物和腸微生物群可以被視為對宿主健康至關重要的代謝器官。

植物微生物群對人體腸道微生物群的直接和間接影響

Heribert Hirt, EMBO Reports (2020)

飲食與微生物組

西方飲食中肉類消費量增加，蛋白質的高輸入也極大地影響了腸道微生物組，某些微生物會抑制有益菌並改變我們的飲食習慣，以偏愛更不健康的食物。

人類少數必需化合物是由微生物產生的，微生物本身是必需胺基酸和維生素的重要生產者。例如，鈷胺素（維生素B12）不能由植物或動物產生；它是由植物微生物群或反芻動物腸道中的微生物合成的。

土壤、氣候對菌群的影響

土壤侵蝕和氣候變化也影響微生物多樣性，並導致大面積耕地及其微生物群的損失。因此，今天的作物缺乏許多重要的共生菌來生產或增加維生素、礦物質、抗氧化劑和其他對植物和人類健康有益的代謝物。

農藥對菌群的影響

大量研究表明許多常用農藥對人體健康的負面影響。例如，大多數銅基殺真菌劑對固氮細菌具有有害作用。

許多新鮮水果，蔬菜長期保存和運輸用到農藥，這些化學物質不僅會通過食物進入人體腸道，還會殺死植物微生物。

除草劑——草甘膦殺滅雜草，確保作物高產。然而草甘膦對人類的急性毒性較低，但草甘膦對於人類而言是潛在的致癌物質。草甘膦對土壤、植物和腸道有益微生物的抑制濃度遠低於致病微生物。就人體腸道微生物組而言，對有益菌雙歧桿菌（Bifidobacterium sp.）以及腸球菌屬的抑制作用比致病菌梭狀芽孢桿菌和沙門氏菌的抑制作用大。

農業抗生素影響微生物組

農業使用的抗生素大約是人類醫學的四倍。 

在農場中濫用抗生素來促進牲畜的生長，這極大地促進了耐藥細菌的出現； 

動物排出的抗生素會改變微生物的功能和土壤，水道及其他生物群落的組成；

食用抗生素處理過的動物的肥料施肥的田地上的新鮮農產品的消費可以將抗性基因傳播到人類腸道微生物組，並進一步出現具有多重耐藥性的人類病原體。

09 總  結

人體胃腸道微生物組對於維持人體健康至關重要。鑑於健康個體中微生物群落結構的複雜性和多樣性，目前可能難以界定基線「健康」微生物群的特徵屬性。隨著人類微生物組研究取得了技術進步，需要利用大樣本人群來確定這個邊界以及哪些關鍵因素會影響和塑造腸道微生物。重要的是更好地了解數萬種不同微生物物種在與宿主之間的複雜相互作用網絡中的功能和作用。

此外，減少肥料，殺蟲劑和除草劑的使用量提供健康的綠色食品有助於人類建立和維持健康的腸道微生物組。因此，有關微生物群落對宿主代謝和健康的整體作用的研究不應僅僅停留在人體腸道微生物組上，而應擴展到植物的微生物群及其在植物生長發育中的功能。

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