发现人类微生物组之谜的进展

2017年10月10日

Nigel R.A.Beeley博士

尽管多年来人们一直对人类宿主细菌的多样性和影响产生兴趣,但人类微生物组计划(HMP)于2008年开始认真开展,重点关注在五个身体部位(口腔,皮肤,阴道,肠道,肠道)发现的细菌种群和鼻/肺)(1)。目的是研究人类微生物组的变化如何与人类健康或疾病相关。重点是不依赖于培养物的微生物群落表征方法,包括宏基因组学以及广泛的全基因组测序和通过PCR从不同收获的人类样品中扩增的细菌16S rRNA序列的深度测序。细菌基因组中缓慢进化的16S rRNA(16S核糖体RNA)部分中的序列的使用是Woese和Fox在定义古细菌,细菌和Eucarya的三个结构域时提出的(2)。

“人们可以考虑我们是否主要是随同乘车来的微生物组来喂养自己,还是我们主要是随便乘车而来的微生物组来喂养自己。”

导致HMP的事件的简要历史值得回顾。有时候,理论的发展可能会受到阻碍,这些理论在其最初的化身时仍然有效,但在其出售日期之后的数年中一直存在。在微生物学领域就是这种情况,在1884年,科赫首次提出的假设对微生物世界的某些地区产生了持久影响,直到1950年代(3)。柯赫的假设是四个标准,旨在建立微生物与疾病之间的因果关系,而这是阻碍微生物界进步的第二个标准。它指出“微生物必须从患病生物体中分离出来并在纯培养物中生长。”微生物学家一段时间以来就知道存在着100,000种不同的细菌菌株,但是直到20年前,也许只有1%的细菌实际上是通过细菌的分离和生长来表征的。对于某些较常见的需氧细菌而言,找到适合细菌生长的合适培养条件已经很简单了,但对其他细菌来说,则更具挑战性,例如厌氧细菌和任何具有生存能力的细菌菌株。典型的例子是艰难梭菌,之所以被命名,并不是因为它的现代臭名昭著是医院感染的祸害,而是因为它很难在文化中成长。像梭状芽胞杆菌家族的其他成员一样,艰难梭菌也是一种具有高度抗性的孢子形式的细菌(4)。最终,基因组分析技术使最终确定细菌菌株的存在成为可能,而无需考虑科赫提出的第二个假设,即需要进行分离和培养,并且这些技术已经过完善和扩展,可以表征当今的整个生物群落。

生理学家开始通过体内实验询问细菌种群的作用。一种方法涉及控制动物的开发,该动物缺乏该物种常规的细菌种群,称为“ gnotobiotic”(5)。无菌状态可以通过在无菌环境中繁殖或饲养动物或使用大剂量的抗生素(有些生理差异)来建立。在不同的小鼠品系中观察到了一些令人惊讶的微生物组效应,例如ob / ob(肥胖)和db / db(糖尿病)小鼠以及gnotobiotic小鼠,这使得人们认识到微生物组的组成在小鼠中起着关键作用。鼠的能量消耗又直接影响肥胖和II型糖尿病(6)。

进入东部阶段(随后进入西部阶段),J。Craig Venter和下一代基因测序技术。第一个使用大规模平行shot弹枪基因测序方法进行测序的基因组(1996年)来自嗜热细菌詹氏甲烷球菌(Methanocaldococcus JAnnaschii),该嗜热细菌是从伍兹霍尔附近的热液喷口分离的,由于其将二氧化碳和氢气转化为甲烷的能力而受到了美国能源部的关注。 (7)。这不仅是人类基因组计划(8)启动的前奏,据报道,该计划在2001年已基本完成,但预示着更大的事情。有人认为,随后的Venter团体乘船之旅始于萨尔加索海,沿着大西洋沿岸,穿过加勒比海,巴拿马运河,再经过加拉帕戈斯群岛穿越太平洋到达法属波利尼西亚,这是长时间休假的借口。实际上,Sorcerer II全球海洋采样远征队收获,鉴定和测序了770万个“海洋细菌全球海洋采样(GOS)”序列,并通过组装预测了612万蛋白质(9),(10)。引入了围绕下一代测序的新技术和准确性,现在有可能能够同时获得每个样品中包含数百个细菌的混合物中大多数个体成员的完整基因组。总共鉴定了3,995个仅由GOS序列组成的中型和大型簇,其中1,700个与已知家族没有可检测的同源性,并且可能来自先前未鉴定的细菌菌株。此外,还发现了一些可再生能源感兴趣的古细菌和微藻菌株,这些菌株可能会更好地了解细菌视紫红质与基于叶绿素的光合作用。

其他人已经开始使用这些工具,例如深度16S rRNA测序来研究微生物组,现在已经准备好通过HMP(1)(11)绘制人类微生物组细节的阶段。

HMP揭示的细节令人agger舌(11)。每个拥有约10 ^ 12个人类细胞的人,与细菌细胞相比,生活在与细菌细胞共生的共生协同作用下(目前估计约为1-3倍,尽管估计有所不同,但以前由于历史上不准确的数字经常被高估了) 10至100次)。可以识别出大约1000种细菌,其中大部分存在于胃肠道中。对细菌混合物的半定量分析表明,例如,在一个人的胃肠道内,有100至200种细菌占主导,而在健康人群中,这些细菌可能有多种组合和迭代,它们的作用相似。换句话说,我健康组装的200种细菌与您的健康200种细菌完全不同。人们发现了与不同疾病状态的重要联系。肥胖微生物群和II型糖尿病微生物群与“健康”微生物群不同。其他微生物群与其他健康问题有关。明显的是胃肠道疾病,例如IBD,IBS和克罗恩病(12);不太明显的是类风湿关节炎,动脉粥样硬化和其他心血管疾病以及癌症。中枢神经系统问题还包括自闭症和抑郁症。将剖腹产与晚年问题联系起来的重要观察结果归因于新生儿缺乏与阴道微生物组的接触。食物摄入,益生元和益生菌之间的相互作用以及细菌用来相互传递信号的分子也已经开始进行分析,某些分子从一种菌株到另一种菌株,有些在同一菌株内。群体感应(13)是一个重要的过程,无害细菌种群数量不断变化并变得有害,现在人们可以更好地理解它。还可以更好地理解通行费样受体和其他PAMPS(病原相关分子模式)作为与先天免疫系统相关的细菌传感器的作用(14)​​。沿胃肠道排列的其他受体,包括所有味觉受体以及短,中和长链脂肪酸受体,不仅可以作为食物传感器,而且可以作为细菌种群的调节剂(15)。可以考虑一下我们是否主要是随同乘坐微生物来喂食自己,而我们是否主要是随同乘坐微生物来喂食我们。真相可能在中间,但是值得一提的是,原核生物早于真核生物在进化时间轴上。还应该提到的是,微生物组干预措施的当前前景已通过临床有效的FMT(粪便移植)程序得到了图解说明,该程序已获准用于医院治疗艰难梭菌感染,包括耐药性艰难梭菌……成功率高达90百分率比万古霉素加甲硝唑的当前最佳实践抗生素治疗好得多(16)。

那么,我们今天在哪里? (17)我们处于冰山一角。首先,我们几乎不了解将微生物组与健康和疾病相关联的各种观察所依据的细节,并且我们希望食品和膳食补充剂的人们习惯性地基于很少到零的数据夸大了产品利益,不要混淆需要进行的进一步知识获取的过程。用于治疗各种挑战性疾病的新途径和干预措施的机会是无限的。途径本身也是无限的,范围从涉及分子/受体或分子/酶相互作用的传统制药行业干预,一直到有利于特定细菌混合物的益生元,一直到潜在的益生菌治疗,其中将外来细菌重新添加到混合物中。开发改良的细菌菌株以解决特定问题,直至整个微生物群落的“移植”,以纠正个体微生物组内的失衡。但是,生命科学家将需要调整其思维。在过去的50年中,一个分子,一种靶标范式在药物研究思想中占主导地位,当分子进入临床时,一旦ADME / Tox,脱靶效应和组织分布出现,实际上很少能100%正确。奇异分子实体的损耗足够高,因此考虑微生物组混合物显示可重复的益处时,标准很高,但是正如FMT过程所示,这完全有可能。微生物干预的许多情况看起来可能涉及多个目标和分子的组合混合物。这也为小分子,生物制剂和益生菌之间的联合疗法提供了潜在的令人兴奋的机会。就像个性化医学一样,必须在创造双盲,安慰剂对照,具有统计学意义的临床试验的成本和挑战之间取得平衡。还需要考虑病毒(相当于微生物组的病毒学)(18)和霉菌组(相当于微生物组的真菌)(19),在这里工作才刚刚开始理解我们生活这一方面的复杂性用。有没有比CDD提供的软件更好的跟踪所有多样性的方法!

参考文献

1) zh.wikipedia.org/wiki/Human_Microbiome_Project
www.ted.com/talks/rob_knight_how_our_microbes_make_us_who_we_are
2)Nair P.(2012)“《祸根与福克斯:生活,重新安排》”。美国国家科学研究院 109 (4):1019-1021
Woese CR,Fox GE。 (1977)。“原核结构域的系统发育结构:主要王国“。美国国家科学院院刊74(11):5088–5090
Fox GE,Magrum LJ,Balch WE,Wolfe RS,Woese CR。 (1977)“通过16S核糖体RNA表征对产甲烷细菌进行分类”。美国国家科学研究院 74(10):4537-4541
3) 恩.wikipedia.org/wiki/Koch’s_postulates
4)莱萨·FC,古尔德简历,麦当劳(2012)。“艰难梭菌感染流行病学现状“。临床传染病。 55 补充2:S65
5) 恩.wikipedia.org/wiki/生殖生物学
雷尼耶斯(1959)。“Germfree脊椎动物:现状“。纽约科学院院刊。 78 (1): 3
6)Ley RE,BäckhedF,Turnbaugh P,Lozupone CA,Knight RD,Gordon JI。 (2005)“肥胖改变肠道微生物生态”。美国国家科学研究院 102 (31):11070-11075
BäckhedF,曼彻斯特JK,Semenkovich CF,Gordon JI。 (2007)“无菌小鼠对饮食诱导的肥胖具有抗性的潜在机制”。美国国家科学研究院 104 (3):979-984
7) 恩.wikipedia.org/wiki/Methanocaldococcus_jannaschii
J.克雷格·文特(Craig Venter)等人(1996)。“产甲烷古细菌甲烷球菌的完整基因组序列“. Science. 273 (5278):1058–1073。
8) www.genome.gov/10001772/all-about-the–人类基因组计划
9)Rusch DB,Halpern AL,Sutton G,Heidelberg KB,Williamson S,Yoseph S,Wu D,Eisen JA,Hoffman JM,Remington K,Beeson K,Tran B,Smith H,Baden-Tillson H,Stewart C,Thorpe J,Freeman J,Andrews-Pfannkoch C,Venter JE,L​​i K,Kravitz S,Heidelberg JF,Utterback T,Rogers YH,Falconn LI,Souza V,Bonilla-Rosso G,Eguiarte LE,Karl DM,Sathyendranath S,Platt T ,伯明翰E,加拉多五世,Tamayo-Castillo G,法拉利MR,斯特劳斯堡RL,尼尔森K,弗里德曼R,弗雷泽M,Venter JC。 (2007)“Sorcerer II全球海洋采样探险:西北大西洋到东部热带太平洋 ”。公共科学图书馆 5(3):e77
10)Yooseph S,Sutton G,Rusch DB,Al Halpern AL,Williamson SJ,Remington K,Eisen JA,Heidelberg KB,Manning G,Li W,Jaroszewski L,Cieplak P,Miller CS,Li H,Mashiyama ST,Joachimiak MP, van Belle C,Chandonia JM,Soergel DA,Zhai Y,Nataarajan K,Lee S,Raphael BJ,Bafna V,Friedman R,Brenner SE,Godzik A,Eisenberg D,Dixon JE,Taylor SS,Strausberg RL,Frazier M,Venter JC。 (2007)“Sorcerer II全球海洋采样探险:扩大蛋白质家族的范围”。生命科学 5(3):e16
11) hmpdacc.org
12) 恩.wikipedia.org/wiki/Crohn’s_disease
13) zh.wikipedia.org/wiki/Quorum_sensing
www.ted.com/talks/bonnie_bassler_on_how_bacteria_communicate
14) 恩.wikipedia.org/wiki/Toll-like_receptor
15)Covington DK等。 (2006)“G蛋白偶联受体40家族(GPR40-GPR43)及其在营养传感中的作用”。 Biochem Soc Trans。 34:770-773
16) zh.wikipedia.org/wiki/Fecal_microbiota_transplant
www.youtube.com/watch?v=C9bYKd_Ffgc
17)Waldor MK,Tyson G,Borenstein E,Ochman H,Moeller A,Finlay BB,Kong HH,Gordon JI,Nelson KE,Dabbagh K,Smith H.(2015)“下一步进行微生物组研究?” PLoS Biol。 13 (1):e1002050
18) 恩.wikipedia.org/wiki/Human_virome
19) 恩.wikipedia.org/wiki/Mycobiome


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