科学家们绘制了居住在人体肠道和口腔中的微生物的遗传多样性图

最近，哈佛医学院和乔斯林糖尿病中心的科学家已经着手进行可能类似的令人生畏的任务：人类微生物组中有多少基因？

在8月14日发表在Cell Host＆Microbe杂志上的一项研究中，一个由微生物学家和生物信息学家组成的团队首次展示了构成我们每个人的细菌宇宙的一系列基因。

到目前为止的研究结果：集体人类微生物组中可能存在比可观察宇宙中的恒星更多的基因，并且这些基因中至少有一半似乎是每个个体独有的 - 这种多样性远远超出了研究人员的期望。

该研究被认为是迄今为止最大规模的分析，也是第一个包括口腔和肠道内细菌的DNA样本。过去的研究主要集中在一方面。

即便如此，这项工作仅标志着分析人类微生物组整个基因组的努力的开始。

研究第一作者，哈佛医学院研究生Braden Tierney说：“我们是一项门户研究，是了解基因内容差异如何推动微生物行为和改变疾病风险的长途旅程的第一步。”

微生物指纹识别用于更精确的治疗

科学家估计，人体微生物组 - 包含在我们的肠道，口腔，皮肤和身体其他部位的微生物的集体体 - 含有数万亿的细菌，其中大多数是无害的，许多是有益的，并且是一些引起疾病的。越来越多的证据表明这些微生物作为疾病和健康的强大调节剂的作用。细菌数量和细菌含量的变化与从花园品种龋齿和肠道感染到更严重的病症（包括慢性炎症性肠病，糖尿病和多发性硬化症）的发展有关。

迄今为止，大多数研究都集中在绘制居住在我们体内的细菌类型，以确定特定细菌物种的存在是否以及如何影响疾病风险。相比之下，新研究深入研究了构成各种微生物种类和菌株的基因。

研究人员表示，单独研究细菌种类必然会为这些微生物在疾病和健康中的作用提供部分线索。鉴于相同微生物之间的遗传内容差别很大，了解个体微生物基因如何以及是否影响疾病风险同样重要。

哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所生物医学信息学助理教授，研究报告的共同资深作者Chirag Patel说：“就像没有两个兄弟姐妹在遗传上相同，也没有两种细菌菌株在遗传上是相同的。” “同一种细菌菌株的两个成员可能有明显不同的遗传构成，因此单独关于细菌种类的信息可以掩盖由遗传变异引起的关键差异。”

研究高级合着者，哈佛医学院微生物学助理教授，乔斯林糖尿病中心研究员Alex Kostic说，对微生物基因阵列进行编目可以为精确定位治疗的设计提供信息。“这种狭隘靶向治疗将基于一个人独特的微生物基因组成，而不是单独使用细菌类型，”Kostic说。

此外，Kostic补充说，分析构成人类微生物组的独特基因可以作为微生物指纹识别的一种形式，为过去暴露于不同病原体或环境影响以及疾病易感性提供有价值的线索。

微生物的进化

在这项研究中，研究人员开始估计人体内微生物基因的大小，收集人类口腔和肠道微生物组的所有公开可用的DNA测序数据。他们总共分析了大约3,500个人类微生物组样本的DNA，其中1,400多个来自人们的口腔，2100个来自人们的内脏。

研究人员发现，3,500个样本中有近4600万个细菌基因 - 口腔微生物组中约有2400万个，肠道微生物组中有2200万个。

超过一半的细菌基因（2300万）仅发生一次，使其成为个体独有的。研究人员将这些独特的基因称为“单身人士”。在2300万单身人士中，1180万来自口腔样本，1260万来自肠道样本。

研究人员观察到，这些单一基因的表现与其他基因的表现也不同，他们表现出不同的功能。

分析显示，共同基因似乎涉及对微生物日常生存至关重要的或多或少的基本功能，如酶的消耗和分解，能量转换和代谢。相比之下，独特的基因倾向于发挥更多的特殊功能，例如获得抗生素和其他压力的抵抗力，并帮助建立微生物的保护细胞壁，从而保护它免受外部攻击。

该团队表示，这一发现表明，单体基因是微生物进化生存试剂盒的关键部分。

“这些独特基因中的一些似乎在解决进化挑战中非常重要，”蒂尔尼说。“如果微生物由于接触药物或突然面临新的选择压力而需要对抗生素产生抗药性，那么单体基因可能是微生物可以适应的遗传多样性的源泉。”

但是什么促进了这种基因多样性

研究人员表示，这个问题的答案仍然是进一步研究的主题，但他们认为至少有两个重要的遗传变异驱动因素。

一个是微生物喜欢与邻居自由交换DNA材料 - 这种现象称为水平基因转移。为了验证这一假设，研究人员进行了一种特殊类型的分析，检测两种生物之间共有的分子含量。令他们惊讶的是，他们发现水平基因转移是遗传唯一性的主要来源的证据不足。实际上，通过这种邻居基因交换，口腔样本中检测到的独特基因不到1％，而在肠道中发现的仅有不到2％的独特基因似乎已经出现。

因此，研究人员假设，另一种更强大的遗传多样性驱动因素可能是细菌迅速进化DNA以应对宿主环境变化的能力。目前的研究并非旨在检测推动这种变化的精确环境变化，但这些变化的例子可能包括一个人消费的食物类型，他们使用的药物，他们所做的生活方式选择，他们遇到的环境暴露以及任何宿主的生理变化，包括各种宿主基因的上调和下调，或者一个人是否患有疾病。

那么集体人类微生物群中有多少基因？

该研究估计，通过一次计算，该数字可能约为2.32亿。事实上，真实的数字可能是不可知的，帕特尔说。“无论它是什么，我们希望我们的产品目录以及可搜索的网络应用程序将具有许多实际用途，并在宿主 - 微生物关系领域开展多方面的研究。”#清风计划#