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在我们体内和体表居住着无数微小的微生物，其数量大约是人体细胞的十倍，这些微生物在至关重要的日常功能中发挥着重要作用。 绝大部分微生物居住在肠道中，在那里它们帮助抵御有害细菌并帮助消化我们吃下的食物。 但是，随着科学家利用基因技术来揭示实际存在的微生物以及它们在肠道内的作用，他们发现这些细菌在人类健康中发挥着比以前认为的更大的作用——甚至有时可能比人类基因本身发挥更大的影响。
一个研究团队最近完成了一份包含约 330 万个人体肠道微生物基因的目录。 他们由 BGI–深圳（原北京基因组研究所）的秦俊杰领导的研究成果，发表在 3 月 4 日出版的《自然》杂志上，为不断扩展的——但远未完整的——居住在肠道中的物种普查增添了内容。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
另一个研究小组将注意力转向了一个特定的宿主基因，该基因似乎会影响这些肠道居民。 他们发现，在小鼠中，一个关键基因的缺失导致微生物群落发生变化，并导致胰岛素抵抗、肥胖和其他代谢综合征（一系列这些疾病）症状的增加。他们的研究结果于 3 月 4 日在线发表在《科学》杂志上。
在沉寂数十年后，肠道微生物研究领域在过去几年中蓬勃发展。《科学》报告的作者指出，“无法培养大多数肠道细菌使得评估它们在健康和疾病中的因果作用在技术上具有挑战性。” 但是，基因测序技术的进步使研究人员能够在深入了解这些小生物及其在健康中的作用方面取得稳步进展。 除了可以快速评估这些微生物种群外，基因组学还可以帮助阐明人类和微生物这两个系统是如何相互作用的。
胃部调查
已知人体肠道中的微生物数量巨大，但其中发现的 330 万个微生物基因“比我们最初预期的要多得多”，BGI 的汪俊和《自然》杂志研究的合著者说。 考虑到在丹麦和西班牙采样的 124 个人中，微生物群往往非常相似，这个数字尤其令人惊讶。
以前的研究也扫描过这些微生物基因。 规模最大的一次创建了约 3 千兆碱基（十亿个碱基对）的微生物序列，而汪俊团队组装了超过 576 千兆碱基，超过了前者。
埃默里大学病理学和实验室医学系的 Andrew Gewirtz 说，这个庞大的目录是该领域的“重大进展”，他没有参与这项研究。 “它真正为详细定义微生物组奠定了框架，”他说。 正如汪俊和他的同事在他们的研究中指出的那样，“为了理解和利用肠道微生物对人类健康和福祉的影响，有必要破译微生物肠道群落的内容、多样性和功能。”
该研究小组发现，超过 99% 的基因来自细菌。“这些细菌具有对我们健康至关重要的功能：它们合成维生素，分解某些我们身体无法吸收的化合物——[并且]在我们的免疫系统中发挥重要作用，”汪俊指出。
汪俊的研究小组是欧盟委员会资助的 MetaHIT（人类肠道宏基因组学）联盟的一部分，他们依赖于来自 124 个人的粪便样本。 尽管假定肠道微生物多样性非常广泛，但研究人员发现，他们欧洲样本中约 70% 的遗传物质与之前检查美国和日本受试者的研究重叠，这表明，实际上，“普遍存在的人类微生物组的大小是有限的，而且不是过大的，”研究人员得出结论。
Gewirtz 说，这是一篇“非常重要的论文，为未来的研究铺平了道路”。 “一旦你定义了基线，你就可以开始详细研究疾病。”
汪俊和他的同事已经考虑了下一步。 基因目录的样本来自两组肥胖个体：一组患有炎症性肠病，另一组是健康人群。 对各自肠道微生物居民的基因分析“清楚地将患者与健康个体区分开来”，研究人员在他们的论文中总结道，这为诊断和最终治疗提供了新的可能性。
炎症突变
随着代谢疾病在美国和许多其他国家的患病率持续上升，越来越多的研究表明，其中一些生理变化可能根植于肠道深处——不是在人体细胞中，而是在那里众多的微生物中。
埃默里大学的 Gewirtz 和他的团队跟踪了小鼠在经历不同类型的代谢紊乱（如肥胖和胰岛素抵抗）时的肠道微生物群。 他们培育了具有基因缺陷（特别是 Toll 样受体 5 或 TLR5 的缺失，它在免疫反应中起作用）的小鼠，以观察它如何改变它们的微生物肠道群落和代谢健康——并试图了解变化发生的顺序。 “人们非常清楚肥胖与胰岛素抵抗和 2 型糖尿病有关，”Gewirtz 说。 但是，“哪个先发生并不完全清楚。”
他们发现，即使在限制饮食的情况下，没有 TLR5 基因的小鼠仍然表现出胰岛素抵抗，这表明胰岛素抵抗可能导致肥胖，而不是反过来。 但是，如果允许这些小鼠随意进食，它们会比同龄小鼠多吃 10%，并且到 20 周大时，体重指数会高出 20%。 许多研究人员和公共卫生官员将当代食品的供应（和成分）、日益久坐不动的生活方式和人类基因归咎于更多的代谢综合征病例。 但小鼠研究表明，情况可能并非如此。“暴饮暴食的倾向可能源于更可能是生理性的而非基因性的变化，”Gewirtz 说。
Gewirtz 和其他人提出，炎症——与肠道微生物组的变化相结合——可能正在驱动这个循环。 炎症会改变肠道微生物的特性，在某些情况下，允许从食物中提取更多卡路里。 但是，Gewirtz 说，“我们不知道哪个先发生”，是炎症正在改变微生物群，还是反之亦然。 他指出，很可能是无论是什么启动了这个过程，它都会启动一种反馈循环，其中一个的增加会加速另一个。
他们在小鼠身上的发现有多少可能转化为人类？ 小鼠胃中的细菌在人体内找不到。 但 Gewirtz 和他的团队注意到，人类胃中存在类似的物种。 “我们认为这很可能是合理的”，这些发现将适用于人类，特别是由于它们“符合目前研究界关于胰岛素抵抗和炎症的许多想法”，Gewirtz 说。 他的团队已经开始一项新的调查，比较患有代谢综合征的人和健康对照组的人类基因和微生物谱，以查看小鼠身上出现的一些相同相关性是否也会出现在人类身上。
下一步基因步骤
虽然更全面地掌握微生物遗传学有望进一步促进健康，但仍有许多未知的重大问题。 科学家们仍然不确定这些微生物群落是如何以及何时在每个人的肠道中建立起来的。“每个人出生时都是无菌的，”Gewirtz 说，他指出定植在出生时开始，但他们不知道何时达到相对稳定。 无论时间如何，这都意味着，“环境是决定某人微生物群的重要因素，”他补充道。
如果肠道微生物群在肥胖和代谢综合征等疾病中确实发挥着重要作用，那么最近这些群落的变化可能有助于解释发达国家患者数量和腰围的增加。“人类的基因在过去数百年中没有发生明显变化，”Gewirtz 说。“但是环境中的一些变化使得肠道微生物群可能与 50 年前大不相同。”
汪俊和他的同事已经在尝试追踪人类肠道微生物群的组成，以查看情况是否如此。 但他们的目标是更大的基因数据集合。“我们的梦想是建立一个参考基因组库，”汪俊指出。 他希望在两年内拥有 10,000 个细菌基因组。 而且，他估计，一旦出现关于这些肠道遗传学的更确凿的数据，以微生物为靶点的疗法可能会很快随之而来。