据估计，人体肠道菌群由超过100万亿个细菌和超过300万个独特基因组成[1]。
人体肠道菌群对人体许多生理功能具有重要影响，被认为是一个“器官”，更是人体健康的守护者。而在与宿主、环境互作的过程中，个体肠道菌群结构也会发生变化。
当前许多含有肠道菌群数据的大型生物样本库现已建立起来（如荷兰LifeLine-DEEP队列、美国HMP队列、中国平谷队列、英国生物样本库和TwinsUK队列、佛莱芒队列以及以色列个性化营养队列）。这些队列研究极大地丰富了我们对菌群-环境-宿主互作的认知[2]。
然而这些研究大部分是基于横断面的肠道菌群与宿主健康、生活习惯及环境的关联研究，纵向队列研究匮乏。
近日，来自荷兰格罗宁根大学的傅静远团队在《细胞》发表了重要研究成果[3]。研究者揭示了人类肠道菌群的时间稳定性和多样性。
研究者对Lifelines-DEEP队列中338位志愿者肠道菌群结构与肠道菌群基因组结构进行了间隔4年的纵向系统性分析，并且开发了基于菌群结构与菌群基因组特征的菌群指纹。应用这项技术，研究者实现了对Lifelines-DEEP队列间隔4年的个体样本高达85%的识别。
该研究进一步分析了人体肠道菌群与人体表型和血浆代谢物之间的纵向关联，揭示了潜在的因果关系。这些关联集中在心脏代谢特征、维生素B和尿毒症毒素等方面。
研究还评估了人类肠道微生物组中抗生素耐药性和毒力因子的变化，发现肠道菌群抗生素耐药性增长得很快，或许与农业抗生素的使用有关。
人体肠道菌群越丰富、结构越稳定
与基线相比，4年后同一批志愿者肠道菌群的多样性显著增加（图1A）,个体间肠道菌群结构差异大于个体内菌群结构差异（图1B、C)。
有趣的是，在基线菌群多样性较高的志愿者中，个体间肠道菌群结构差异较小，这说明人体肠道菌群多样性越高，其肠道菌群结构越稳定（图1D）。
图1 人体肠道菌群结构随时间变化的稳定性
个体肠道菌群基因组特征相对稳定
当前的人体肠道菌群研究大部分侧重于研究菌群结构（如数量、多样性）与宿主的互作，往往忽略了肠道菌群基因组在其中的作用。
肠道菌群的基因特征不仅影响菌群功能，更可能影响宿主。因此，研究者进一步比较了个体4年前后肠道菌群的单核苷酸变异(single nucleotide polymorphism，SNP)和基因组结构变异(genomic structural variants，SVs)。
研究者发现，个体内的肠道菌群SNP和SV的差异，显著小于个体间肠道菌群的差异(图2A, B)。
图2 宿主肠道菌群的SNP和结构变异SV的随时间变化的稳定性
肠菌特征可用于辨别个体身份
个体肠道菌群结构差异与基因组结构差异间隔4年依旧可被检测到，这提示研究者可以利用肠道特征作为一种生物指纹来区分不同个体样本。
经过不断的优化，研究人员最终发现利用71个菌群特征组合可使准确率达到85%（图3A），再次优化后的模型包括30个菌群特征，准确率仍高达82%（图3B）。
在特异性和敏感度分析中，ROC曲线面积(AUC)可以达到95%(图3C)。当选取0.46微生物距离作为阈值时，对应的个体特异性为99%，敏感度为88%(图3D)。随后，利用独立的人类微生物组计划的数据集（Human Microbiome Project HMP）也验证了这种生物指纹的可靠性(图3B、C、D)。
这些结果充分证明了菌群指纹的可行性与可靠性，同时提示我们，每个人的肠道菌群不仅仅与健康有关，更是个人特有的生物芯片，像隐私一样值得保护。
图3 基于肠道菌群组成与菌群基因组结构特征（SNPs和SV）的菌群指纹
肠菌与宿主表型及血浆代谢物密切相关
研究者采用混合线性模型+差异(delta)关联分析，揭示了肠道菌群与宿主表型的关联（图4），该研究共鉴定到190个关联，其中84个与微生物物种和途径丰度相关，106个与微生物SV相关。
研究人员发现人体的BMI，血压，HbA1C和抑郁症所关联的菌群特征数量最多。
图4 肠道菌群组成与基因组特征与宿主表型相关
为了进一步了解肠道菌群驱动宿主病理生理的潜在机制，研究者利用LC-MS对两个时间点的1183种血液代谢物进行了比较，发现近27%的代谢物发生了显著改变。基于此，研究人员将这些信息与肠道菌群结构和基因组结构的变化进行了关联分析。
研究者在 122 种微生物特征 (物种、丰度和 SVs) 与 81 种代谢物之间共检测到 455 个显著关联的特征，其中273种与微生物丰度相关，182种与微生物SV相关(图5)。
图5 肠道菌群组成与基因组特征与宿主血浆代谢物相关
在169种与临床表型相关的微生物特征和122种与代谢物相关的微生物特征中，有29种与两者都相关。通过双向中介分析，研究者发现了21个中介关联(图6B)，表明肠菌可以通过血液代谢来影响宿主表型。
例如，细菌硫酸盐还原途径可能通过增加血浆硫胺素水平(21% 图6C)来降低舒张压。细菌脂多糖生物合成可能通过影响血浆AFMK水平来降低收缩压（16% 图6D）。
图6 肠道菌群、宿主代谢物和表型之间的中介联系
小结
“行家一出手，就知有没有”，这篇大作带给我们读者非常多的信息，再一次拓展了我们对菌群认知的边界，非常期待研究者能够尽快将这些成果进行进一步的功能验证，实现成果转化，造福大家！
我认为，这项研究主要有以下三大亮点(图7):
第一、该研究是间隔时间最长、样本量最大的纵向队列研究，将菌群研究深入到了基因组层面。研究者同时构建了特异性与准确性很高的菌群指纹，至少四年之内可以有效的区分来自同一个体的菌群样本。
第二、研究者进一步分析了人体肠道菌群与人体表型和血浆代谢物之间的纵向关联，揭示了潜在的因果关系，发现了一些宿主表型、血浆代谢物有关的生物关联。
第三、利用该研究成果，未来利用高度稳定性和个体特异性的菌群，我们可构建基于菌群的个体生物指纹，这对个性化医疗大有裨益。
图7 模式图
对于检测到的不稳定性的菌群变化，这提示我们可能与个体的健康表型和血浆代谢物有关。通过这种潜在的因果关系，我们将有的放矢地指导个人或群体疾病的预防和治疗。
参考文献
Doestzada M, Vila AV, Zhernakova A, et al. Pharmacomicrobiomics: a novel route towards personalized medicine?. Protein Cell. 2018;9(5):432-445. doi:10.1007/s13238-018-0547-2
Chen L, Wang D, Garmaeva S, et al. The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome. Cell. 2021;184(9):2302-2315.e12. doi:10.1016/j.cell.2021.03.024
本文作者 | 蒋永茂