Nature重磅｜貫穿全生命周期的微生物更替

菌心說 2022-12-02 發(fā)布于北京

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翻譯 by 劉黎嘯、熊沐釗、王康、胡靖浩

在成長的過程中，飲食、作息、運動等一件件小事都會影響每個人的生活并留下“烙印”，菌群便是其中一個重要的“烙印”。每個人的菌群都是獨一無二的，并會隨著時間不斷演替，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)菌群和人的健康狀況密切相關(guān)，甚至可以被用來預(yù)測年齡。2022年7月，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校Dilip Jeste教授及加州大學(xué)圣地亞哥醫(yī)學(xué)院Rob Knight教授合作在Nature Reviews Microbiology上發(fā)表了題為“Microbiota succession throughout life from the cradle to the grave”的綜述文章，闡述了貫穿人整個生命歷程中多組織器官的微生物演替情況，以及微生物在疾病治療、取證等方面的應(yīng)用。

摘要

人類微生物群和年齡密切相關(guān)且遵循著一定的規(guī)律。人體中一些組織器官的微生物組成可以相對準(zhǔn)確地預(yù)測人類的時序年齡。盡管目前尚不清楚為什么某些微生物在特定年齡段更為豐富，但眾多針對人類微生物群的研究已經(jīng)闡明，人體微生物群落在整個生命歷程中會發(fā)生一系列的變化。在這篇綜述中，作者探討了健康人體整個生命歷程中微生物群落的演替情況。文章討論了從出生時人體微生物群的初級演替，到疾病或服用抗生素對菌落的破壞，再到死亡時的微生物擴張等幾個階段，也介紹了這些微生物演替活動如何因身體部位和微生物種類（細菌、真菌或病毒）的差異而不同，并且還回顧了研究人員用于開展微生物群研究工作的實驗工具。最后，文章展望了微生物群與年齡之間關(guān)系的未來研究方向，包括設(shè)計具有較高共通性的方案、建立有力的縱向研究、改進完善統(tǒng)計分析方案并細化非細菌微生物的識別特征。

正文

人類微生物群是生活在人體表層或體內(nèi)的細菌、真菌、原生生物、古菌和病毒（通常分別稱為細菌群、真菌群、原生生物群、古菌群和病毒群）的群落。人們對不同年齡的細菌群落變化了解較多，但對真菌、古細菌、原生生物或病毒則知之甚少，但這并不代表細菌更重要。微生物群存在于人體的黏膜表面，并在每個人體部位具備獨特的生態(tài)。因此，人體相關(guān)微生物群落也是因人而異、各不相同的。人類常駐微生物約含有200萬至2,000萬個編碼基因，而人類基因組僅含有約20,000至25,000個編碼基因。因此，可以說微生物群占人體遺傳能力的99.9%。在生命從出生到死亡以及腐爛分解的每個階段，身體中微生物群落的組成都是動態(tài)變化的。研究自然狀態(tài)下和干預(yù)后的微生物群落中的變化有可能徹底改變?nèi)藗儗θ祟惿飳W(xué)的理解。

微生物演替被定義為微生物群落中一種或多種有機體相對豐度或絕對豐度的變化，這種演替過程可以是確定性的也可以是隨機性的。驅(qū)動確定性演替的因素分為三類：非生物因素（如pH或氧化還原反應(yīng)）、環(huán)境因素（如共生、飲食或旅行）和生物因素（例如先天和適應(yīng)性免疫）。隨機性演替被定義為不是由環(huán)境決定適應(yīng)度的微生物群落的變化（也稱為“生態(tài)漂移”）。微生物確定性和隨機性演替取決于群落形成中的幾個因素，包括出生、旅行、飲食（例如母乳）和抗生素等。在正?；蚪】邓ダ系纳鼩v程中，微生物演替主要包含三個階段。

第一階段，初級演替，從人出生時“先鋒種群”首次建立群落時開始，隨之而來的便是微生物群落的快速變化。從出生到兒童時期，微生物種群的變化率降低，并在出生和童年晚期之間出現(xiàn)一些過渡種群（圖1，第2-4欄）。微生物的初級演替在頂級群落形成后迎來尾聲，這一階段被認(rèn)為發(fā)生在青春期甚至?xí)掷m(xù)到成年，而頂級群落的特征在于其具有相對的穩(wěn)定性（圖1，第4欄）。盡管成年期的微生物群比兒童期更穩(wěn)定，但仍存在變異性，這加劇了關(guān)于人類微生物群中是否存在頂級群落的爭論。成人微生物群發(fā)生自然變化的時間尺度由小時（晝夜節(jié)律）到年（年齡）不等，但微生物群相對穩(wěn)定，除非存在飲食或藥物等導(dǎo)致的干擾。第二階段，即次生演替，發(fā)生在幾乎所有先前存在的穩(wěn)定群落的一部分被改變或消失后，隨后群落恢復(fù)到相同狀態(tài)或改變?yōu)榱硪粻顟B(tài)。這可能是通過抗生素等醫(yī)療手段人為干預(yù)的，也可能是通過霍亂弧菌感染等疾病自發(fā)導(dǎo)致的。人類的次生演替的特征是至少有一段隨機過程占主導(dǎo)地位。在干預(yù)的條件下，如單個療程的抗生素，群落遵循類似于初級演替的過程，其中部分現(xiàn)有微生物群落充當(dāng)“微生物記憶”，并幫助重建與之前類似的群落。這一過程被認(rèn)為是由一批關(guān)鍵菌群成員驅(qū)動的，而不是驅(qū)動初級演替的“先鋒微生物”（圖1，第5-7欄）。第三階段，最終的演替是宿主自然衰老和死亡的一部分。在衰老過程中，微生物群體演替速度加快，并且產(chǎn)生由更少微生物組成的群落。其中，變形菌門（如假單胞菌）的相對豐度通常會增加，并可能在群落中占據(jù)較大優(yōu)勢（圖1，第8欄）。

圖1 從人類受孕到死亡的微生物群演替過程。在人類不同的生命階段常駐細菌、真菌和病毒的多樣性發(fā)生改變。模擬時鐘反映的是每種微生物群落發(fā)育階段相對于宿主年齡的時間。“免疫印記”在出生前就通過母親的微生物群及其代謝物開始了（第一欄）。“先鋒種群”則是從出生就開始出現(xiàn)在身體特定部位的微生物群落（第二欄）。這些群落的復(fù)雜性繼續(xù)增加，直到它們達到一個相對穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)（第三和第四欄）。內(nèi)部和外部的擾動會導(dǎo)致這些微生物群落發(fā)生次生演替（第五欄）。一些中間種類的微生物重新建立初始群落，直到再次達到穩(wěn)定狀態(tài)（第六和第七欄）。在晚年，群落會經(jīng)歷最后的演替并隨著宿主的自然死亡而發(fā)生變化（第八欄）。微生物演替的最后一個階段是腐爛和分解（階段）。在這一階段，群落的多樣性進一步下降，在最初的24-48小時內(nèi)，許多人類微生物群落結(jié)構(gòu)是保守的，但隨后很快開始被侵蝕（第九欄）。綠線和藍線分別顯示了適應(yīng)性免疫和先天免疫在不同生命階段和底部微生物演替過程的相對強度。

人類基因組在出生時已確定，且整個生命歷程中無法改變（至少在目前的技術(shù)下）。與人類基因組不同，每一個獨特的微生物群都可以隨時間變化。個體特定的身體部位，所處的地理位置和個體年齡與迄今為止所有基于生理學(xué)或人口學(xué)所研究的健康微生物群均具有較強的聯(lián)系。年齡驅(qū)動人類微生物群中的alpha多樣性和beta多樣性（圖2）。通過針對微生物演替的各個階段的研究，研究人員能夠更加了解與人類相關(guān)的微生物群落是如何形成和維持的，可以更好地了解隨著年齡的增長如何干預(yù)、維持微生物群，以及了解微生物群與人類健康的關(guān)系。盡管檢測和描述微生物群落的方法尚是一個正在蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，但研究標(biāo)準(zhǔn)還是存在的，這使得針對跨隊列的聯(lián)合研究成為了可能。

圖2 對不同年齡段的細菌多樣性的測定。在美國腸道項目的數(shù)據(jù)集中，研究人員測量了從兒童到年老人群的糞便（圖a）、口腔（圖b）和皮膚（圖c）中微生物的細菌多樣性和系統(tǒng)發(fā)育史，這個公眾科學(xué)研究項目包含了21,919份糞便，1,920份口腔和998份皮膚微生物群樣本的16S核糖體RNA基因擴增子測序結(jié)果。Alpha多樣性是一種定量測量一個樣本中不同類型微生物數(shù)量的方法，圖的左列是采用Faith系統(tǒng)發(fā)育多樣性（Faith’s phylogenetic diversity,PD）測量物種進化距離。UniFrac beta多樣性主坐標(biāo)分析是一種比較微生物群落相似性的方法，圖的右列根據(jù)年齡進行著色，其中空間上接近的點代表相似的樣本，空間上遙遠的點代表不同的樣本。

幼年的初級演替

影響人類微生物群的第一個因素來自于胎兒發(fā)育過程中的母親。胎兒通過胎盤暴露于母體微生物群落產(chǎn)生的代謝物，這些代謝物后續(xù)會影響其免疫系統(tǒng)，并影響正常微生物群和病理學(xué)的各個方面。母親在懷孕期間的健康狀態(tài)、飲食和抗生素使用會影響微生物群落產(chǎn)生的代謝物的組成及其向胎兒的轉(zhuǎn)運。例如，母親的腸道微生物群發(fā)酵膳食纖維，產(chǎn)生的醋酸鹽等短鏈脂肪酸可以穿過胎盤。胎兒組織中的醋酸鹽會影響與成年后調(diào)節(jié)性T細胞生成相關(guān)的表觀遺傳印記，這類T細胞可以預(yù)防老年哮喘的發(fā)生。微生物代謝物（包括短鏈脂肪酸）和配體調(diào)節(jié)宿主芳香烴受體（Aryl hydrocarbon receptor，AHR）有助于塑造新生兒的微生物群和免疫系統(tǒng)的發(fā)育。母親抗生素的使用和胃腸道相關(guān)疾病也相關(guān)，如炎癥性腸?。↖nflammatory bowel disease, IBD），也被認(rèn)為會通過胎兒免疫系統(tǒng)的印記增加后代后期的病理風(fēng)險。然而，這些相關(guān)性僅在非人實驗?zāi)Ｐ椭械玫搅蓑炞C。在一個案例中，無菌小鼠定植了來自IBD孕婦或新生兒的微生物后出現(xiàn)異常的微生物群和免疫進程，提示IBD的發(fā)生。母親的微生物群和免疫系統(tǒng)在懷孕期間也會發(fā)生改變。母親的陰道微生物群變得更加多樣化，包括許多通常在其他身體部位發(fā)現(xiàn)的微生物。妊娠期間的母體免疫系統(tǒng)與胎兒形成協(xié)同作用，包括通過胎盤轉(zhuǎn)移IgG抗體（圖3a)。

人類微生物群落的形成和初級演替的開始發(fā)生在出生時，新生兒的微生物群來自母親的微生物群。出生時獲得的微生物群究竟是來源于陰道和糞便微生物群的混合，還是出生時的陰道微生物群本身就是多能性的，并后續(xù)發(fā)展成為先鋒微生物群，仍然存在一些爭議。無論確切的母體來源如何，這一階段的特征是先鋒細菌物種，如乳酸桿菌、腸桿菌、大腸桿菌、擬桿菌、副擬桿菌和普雷沃氏菌，它們會在適當(dāng)?shù)纳眢w部位定植：包括腸道、口腔和皮膚。許多先鋒細菌是兼性厭氧菌，它們耗盡氧氣，從而使專性厭氧菌能夠在這個環(huán)境中定居。起初，新生兒的每個身體部位都是相對未分化的，但先鋒微生物會快速起始形成身體部位依賴的微生物群落多樣性的級聯(lián)變化，每個部位的細菌至少要在生命的第4至第6周才容易被區(qū)分（圖3b)。

人類腸道中細菌群落的發(fā)展已經(jīng)得到了很好的研究。一開始雙歧桿菌屬是主要的群落，在生命第一年的最后逐漸演變成雙歧桿菌、梭狀芽孢桿菌和擬桿菌的組合。接下來是擬桿菌屬豐度的增加，厚壁菌門內(nèi)形成更多樣化的屬（也稱為桿菌門；例如，梭狀芽孢桿菌、糞桿菌、瘤胃球菌和韋榮氏球菌），而雙歧桿菌屬的物種豐度相對減少。雙歧桿菌可以分解母乳中的母乳低聚糖（Human milk oligosaccharides, HMOs），這被認(rèn)為開啟了新生兒的免疫印記系統(tǒng)。最近的一項研究發(fā)現(xiàn)了含有HMOs分解代謝基因的雙歧桿菌等細菌與嬰兒免疫系統(tǒng)發(fā)展的功能相關(guān)。值得注意的是，與對照組糞便水不同，接受雙歧桿菌EVC001的嬰兒糞便水中極化了先天性T細胞，而這與腸道炎癥的減少有關(guān)。然而，而其他屬的菌群，如擬桿菌屬和阿克曼氏屬，也可以降解HMOs。到3-6歲時，腸道細菌群落形成頂級群落，一直持續(xù)到整個成年期。這個微生物群落是已知的最密集和最多樣化的生態(tài)系統(tǒng)之一。通常，在這段時期一般健康人中只有兩個細菌門占主導(dǎo)地位：厚壁菌門和擬桿菌門。

圖3 在子宮內(nèi)和生命早期的初級演替。那些將被微生物群定植的胎兒由于母親在胎兒免疫系統(tǒng)上的印記，會在身體每個部位設(shè)定初始群落組裝軌跡。代謝物如短鏈脂肪酸（如乙酸鹽）和其他微生物化合物可通過胎盤轉(zhuǎn)移至胎兒，并影響免疫發(fā)育。母親的飲食和健康也會影響這些代謝物（圖a）。出生后，微生物群落會根據(jù)身體部位迅速分化（圖b）。在最初的菌種定植階段，先鋒種群和以后4年的群落發(fā)展可能受到出生模式和孕育時間的影響。隨后中期群落將由飲食（如母乳或配方奶粉）和環(huán)境決定（圖c）。最后，飲食和環(huán)境再次確立了穩(wěn)定的頂極群落（圖d）。底部表示了不同的真菌、細菌和病毒分支組成，以不同的顏色和代表性形態(tài)表示。不同分支的存在或不存在與正文中的描述一致。

在人類腸道發(fā)育過程中，對病毒群、真菌群和古菌群的探索遠遠少于細菌群。在整個生命過程中，真菌群所占的總數(shù)遠遠少于細菌群或病毒群。在生命剛開始的幾天，真菌群落中含有大量的紅酵母和德巴利酵母，接下來的一個月是念珠菌、隱球菌和酵母菌。到成年后，優(yōu)勢真菌屬為曲霉、念珠菌和酵母菌。在發(fā)育過程中腸道的古菌群的演化過程還不清楚，但古菌群是最早的定植者且豐度較低。早期定植的古菌群包括甲烷屬和甲烷短桿菌。病毒群落主要由噬菌體組成，在生命的第一周數(shù)量眾多。噬菌體家族的長尾噬菌體科、短尾噬菌體科和肌尾噬菌體科在出生后成為主導(dǎo)，主要以溶原性形式存在（整合到細菌基因組中）。到生命的第4個月，尾病毒目噬菌體大量生長且通常呈溶解狀態(tài)（感染性噬菌體顆粒或積極復(fù)制的噬菌體）。在成年人中，尾病毒和微病毒在腸道噬菌體群落中占主導(dǎo)地位，但噬菌體腸道病毒體對個體具有高度特異性，對其演替仍不清楚。與噬菌體不同的是，真核感染病毒的腸道病毒組主要與兒童（例如，胃腸炎）和成人的疾病相關(guān)。最近，也觀察到一些真核生物感染病毒以較低的豐度存在于健康兒童和健康成人中，但其時間和流行率尚不清楚（圖3b-d，腸道欄）。

口腔菌組在出生時主要是鏈球菌屬、雙孢菌屬、顆粒鏈菌屬和韋榮氏球菌屬。在接下來的幾個月里，乳酸菌屬和梭桿菌屬逐漸成為主體。葡萄球菌的豐度在生命的第3個月左右達到峰值后穩(wěn)步下降，隨后芽菌、肉芽菌、嗜血桿菌和羅西亞菌的豐度增加。牙齒形成后，口腔微生物群再次發(fā)生變化，梭菌門、梭桿菌門、協(xié)同菌門、互養(yǎng)菌門、糖化桿菌（TM7）和SR1的豐度更高，并持續(xù)到成年?？谇徽婢罕徽J(rèn)為比皮膚和腸道的真菌多樣性更少。在生命的第一天念珠菌屬就是口腔的第一個真菌定植者。目前對中間期口腔真菌群落還知之甚少，但到成年后口腔中念珠菌、枝孢菌、葡萄球菌、曲霉、鐮刀菌和隱球菌就比較普遍了。在發(fā)育過程中的口腔古菌目前的研究較少，但成人口腔中有許多古產(chǎn)甲烷菌，包括甲烷短桿菌屬。就我們所知，目前對病毒在人類嬰兒口腔中定植的了解還相對較少。在成人中，與腸道相似，最常見的噬菌體群是尾病毒目。真核口腔病毒群落在本質(zhì)上通常被認(rèn)為是病理性的（例如，柯薩奇A病毒、麻疹病毒、盧布爾病毒和人類乳頭瘤病毒），而且目前還沒有病毒群落的縱向研究。然而，許多真核病毒類群也在無癥狀和其他健康的成人中觀察到（圖3b-d，口腔欄）。

在出生時皮膚細菌群落中含有大量的母體陰道乳酸菌。到第4-5周，嬰兒皮膚微生物群類似于成人皮膚微生物群，但在青春期特異性部位的菌群會具有位點特異性，比如腋窩相比于前臂的優(yōu)勢菌屬包括葡萄球菌和棒狀桿菌，假單胞菌、腸桿菌、腸球菌、變形桿菌和克雷伯氏菌。在皮膚真菌群中，馬拉色菌屬、念珠菌屬和酵母菌屬在生命的前30天普遍存在。中期群落的確切組成目前還知之甚少，但成人真菌群落通常有很豐富的馬拉色菌種類，估計占總真菌群落組成的75%到90%。人們目前對皮膚中古菌群落的發(fā)展知之甚少，但古菌約占成人群落的4%。廣義上說，成人古菌皮膚群落包括奇古菌和廣古菌門。成人皮膚上也能發(fā)現(xiàn)鹽桿菌科和甲烷短桿菌屬。與腸道和口腔不同，健康的皮膚微生物群中已知的病毒多樣性相對較少，而且鮮有研究，這可能是由于與低生物量樣本相關(guān)的技術(shù)限制。不過，在皮膚上有一些天然存在的病毒種群(圖 3b-d，皮膚欄）。

有幾個因素塑造和區(qū)分了在生命的最初幾年里微生物群落的發(fā)展。目前研究影響人類微生物群落的最好和最明確的因素是出生模式和母體抗生素的使用。然而，即使是對于一個母體中的同卵雙胞胎，由于許多未知的或隨機的過程，微生物的發(fā)育也可以導(dǎo)致獨特的結(jié)果。通過剖腹產(chǎn)和生產(chǎn)前后護理以及新生兒抗生素的使用，所有身體部位的自然微生物群落建立過程都可能被破壞。這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了陰道微生物群落的重要性，它天然含有大量的乳酸菌。但在青春期、更年期和懷孕期間陰道微生物都發(fā)生了改變，這正是女性健康的核心。一些最佳抽樣的嬰兒發(fā)育研究，通常縮寫為DIABIMMUNE、ECAM、TEDDY，隨訪了嬰兒出生后的2年和3年的情況，并重點關(guān)注抗生素使用或出生模式的影響。在上述所有研究中，相比于那些通過剖腹產(chǎn)出生的嬰兒，陰道出生的嬰兒的擬桿菌相對豐度要高。缺乏天然先鋒種群的建立會導(dǎo)致更可變的群落組成，這被認(rèn)為更多的是由隨機過程而不是確定性的程序驅(qū)動的，到生命的第四年仍然可以觀察到出生模式對微生物群落組成的影響。出生模式影響的一個例外是早產(chǎn)，可能是由于在出生后的最初幾天大量使用抗生素，因此無論出生模式如何，微生物群落的發(fā)育都不穩(wěn)定。這種嬰兒微生物群自然發(fā)育的改變與感染、免疫性疾病、肥胖和神經(jīng)內(nèi)分泌異常的風(fēng)險增加有關(guān)。其次，與其他因素相比，母乳喂養(yǎng)對微生物群的發(fā)育有很大的影響。與母乳喂養(yǎng)相比，使用配方奶會導(dǎo)致微生物群落具有更高的多樣性和更不確定性。例如，在出生時由于雙歧桿菌科在腸道中的天然優(yōu)勢，缺乏HMOs的配方奶作為主要營養(yǎng)來源會導(dǎo)致初始菌群定植的不穩(wěn)定。然而，微生物群、乳代謝物組和免疫系統(tǒng)發(fā)育的多組學(xué)整合是一個活躍和快速發(fā)展的研究領(lǐng)域。除了HMOs，母乳還含有其他免疫調(diào)節(jié)化合物，如來自革蘭氏陰性菌的脂多糖、分泌性IgA、先天免疫因子、抗菌肽和益生元因子。最后，所有這些因素都會影響人類的免疫發(fā)育。微生物相關(guān)的分子模式識別受體（例如，Toll-like receptors和NOD-like receptors）與微生物衍生的分子（例如，脂多糖），代謝物如短鏈脂肪酸（GPR43，GPR41和GPR109）以及次級膽汁酸（FXR）的相互作用直接影響免疫發(fā)育?？偨Y(jié)來看，這些因素中的很多都有助于形成一種獨特的、相對穩(wěn)定的細菌、真菌和病毒微生物群落，這持續(xù)存在于人類生命大部分時期。

圖4 青春期和成年期的次生演替。與初級演替和人類發(fā)育過程中的微生物群落組合相比，成年期的微生物群落相對穩(wěn)定。這個群落可以自行進行動態(tài)調(diào)整與變化，如與宿主晝夜節(jié)律相關(guān)的微生物振蕩，以及與飲食或季節(jié)相關(guān)的變化（圖a）。很多因素的干擾都會導(dǎo)致次生演替的發(fā)生，抗生素是最明顯的例子之一。這種破壞可導(dǎo)致微生物群落種類丟失或低于檢測水平，以及微生物動力學(xué)的巨大變化，如振幅或周期性。在這一階段，與先鋒種群類似，關(guān)鍵種群在防止某些致病菌過度生長方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。不久之后，隨著耐氧類群和兼性厭氧菌的回歸而形成中期群落。最后，專性厭氧菌的回歸會讓群落類似于最初的群落（圖b）。底部表示了不同的真菌、細菌和病毒分支組成，以不同的顏色和代表性形態(tài)表示。不同分支的存在或不存在與正文中的描述一致。

成年期的次生演替

與發(fā)生在嬰兒期首次演替的巨大變化相比，盡管成年期的微生物群落很大程度上比較穩(wěn)定，但群落也會發(fā)生波動并遠離頂級群落狀態(tài)。對健康和疾病狀態(tài)下微生物的理解是一個不斷加深的和具有疾病特異性的研究領(lǐng)域。健康成年人體內(nèi)某些細菌的基因組隨著時間進化，表明在次生演替期間，功能性和組成性的進化以穩(wěn)定的狀態(tài)發(fā)生（圖4a）。成人微生物也有以日或月或年為維度的、自然發(fā)生的短期變化（圖4a）。一個很好的短期變化的例子是微生物群落組成的晝夜節(jié)律。人基因表達和免疫激活與晝夜節(jié)律相關(guān)，腸道微生物中細菌的豐度和組成也遵循這種模式變化。在小鼠中表現(xiàn)出晝夜循環(huán)的細菌科包括瘤胃球菌科、毛螺菌科、擬桿菌科 (S24-7) 和疣微菌科，但人們對人體中參與等效循環(huán)的細菌知之甚少，這是由于人類產(chǎn)生糞便的頻率低于小鼠的緣故?？谇恢姓M真菌和細菌的波動與刷牙時間吻合。皮膚上每日真菌和細菌的改變與清洗時間一致，并依賴于個人護理產(chǎn)品的選擇。一個被充分研究的例子是數(shù)周至數(shù)年間飲食驅(qū)動的腸道菌群的改變。飲食對微生物群落的影響巨大，包括自然的和可逆的變化。比如，坦桑尼亞的哈扎部落在旱季吃富含肉類和根莖類的飲食，但在雨季吃富含蜂蜜和漿果的飲食，擬桿菌屬等屬會表現(xiàn)出較大的季節(jié)性波動。飲食對微生物的塑造也在人類健康上發(fā)揮作用，大量研究試圖理解特定的膳食補充劑和整體飲食模式是如何影響微生物和健康的。例如，以含有大量紅肉為代表西方飲食就與全因死亡率相關(guān)。腸道微生物的某些行為是有害的，比如將紅肉中的肉毒堿轉(zhuǎn)化為三甲胺，肝臟接著將三甲胺轉(zhuǎn)化為氧化三甲胺，很有可能促進動脈硬化的發(fā)生。相反，腸道微生物也可以發(fā)揮保護作用，比如紅肉在腸道中被消化吸收之前，將致癌分子從紅肉中分離出來，從而防止炎癥。在飲食之外，許多其他因素也能幫助塑造成人的微生物群，包括遺傳、地理位置、宿主因素如代謝性疾病和藥物。

因微生物群落破壞而發(fā)生的次生演替已經(jīng)被廣泛研究和回顧。在破壞微生物群的眾多因素中，抗生素是最強的，在使用抗生素后微生物群的恢復(fù)也各不相同。在抗生素治療后，腸道微生物群恢復(fù)的能力依賴于特定的菌群成員，比如多形擬桿菌和青春雙歧桿菌。疾病本身也能破壞微生物群，無論變化是由微生物群落內(nèi)部因素引發(fā)（病原體過度生長）、還是宿主或多種因素的組合（圖4b）。許多其他腸道疾病，比如IBD，破壞了原本的微生物群但沒有達到新的穩(wěn)定的群體構(gòu)成，在缺乏干預(yù)的情況下，微生物群會長期不穩(wěn)定。在皮膚上，特應(yīng)性皮炎以金黃色葡萄球菌的大量繁殖和菌群特異性減少為特征，這是由免疫介導(dǎo)的炎癥引起的。在金黃色葡萄球菌大量繁殖期間觀察到真菌屬馬拉色菌的豐度下降，反之亦然，真菌豐度的增加導(dǎo)致金黃色葡萄球菌的豐度下降，這可能部分是由于真菌能夠產(chǎn)生蛋白酶，消化金黃色葡萄球菌生物膜，并減弱細菌逃避免疫系統(tǒng)的能力?？谇恢幸泊嬖陬愃频目缃缁?。例如，真菌白色念珠菌的定植依賴于細菌生物膜，但同時假單胞菌和葡萄球菌分別與白色念珠菌形成競爭和協(xié)同關(guān)系。這些例子突出了微生物群落的相互作用和演替是如何跨領(lǐng)域并與宿主相互作用的，但由于其高階相互作用的復(fù)雜性質(zhì)，仍未被充分理解。

微生物群落在紊亂之后往往會存在恢復(fù)上的障礙，這促使研究人員探索靶向微生物群落恢復(fù)的干預(yù)手段。微生物群落恢復(fù)包括定向重新播種或富集或消耗某些物種，目的是讓微生物群落恢復(fù)接近紊亂前的狀態(tài)。這些干預(yù)手段包括益生菌、益生元、抗生素或其他藥物、移植健康人的完整微生物群，或者是以上方法的組合。雖然這些治療在某些特征明確的環(huán)境中可以非常有效地恢復(fù)為健康的微生物群落，但常因為人們對移植菌群與現(xiàn)有群落相互作用的機制認(rèn)知有限或者它們僅能實現(xiàn)暫時移植而受到限制。為了解決這些機制上的問題，研究人員專注于兩個領(lǐng)域。第一個領(lǐng)域涉及更好地了解微生物群落的組成方式。例如，對人類發(fā)育的研究有助于確定微生物群落在發(fā)育過程中是如何組成的，以及這種組成對生命后期的影響。其次，通過計算和實驗探索微生物群落相互作用來確定機制的新方法正在被開發(fā)，包括微生物群落的高通量共培養(yǎng)和基因組編輯。為了解決微生物移植的短時性問題，有兩種主要方法被應(yīng)用。首先，微生物群落療法的短暫和個體化影響是由每個人微生物群的個體性質(zhì)驅(qū)動的。因此，針對每個人獨特的微生物群進行群體改造的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)大有希望。例如，基于微生物群落組成的個性化營養(yǎng)在隨機對照干預(yù)中有效地改變了餐后血糖水平。其次，跨越細菌組去探索病毒組和真菌組，以及它們之間的相互作用，具有很大的前景。例如，噬菌體療法已經(jīng)用于嚴(yán)重的細菌性感染耐藥病例，并且靶向細菌菌株具有高度特異性。雖然這些研究結(jié)果令人興奮，但大多數(shù)此類干預(yù)措施仍處于初步研究階段，并且規(guī)模巨大、成本高昂。

圖5 在臨近死亡時的晚期演替。成年穩(wěn)定的微生物群落在老年時期過渡到最終的群落（圖a）?！袄夏辍钡拇_切時間尺度取決于其他幾個與宿主相關(guān)的因素，如疾病，但迄今為止，大多數(shù)文獻將“老年人”定義為65歲及以上的人。健康的衰老通常與向最終菌群的延遲過渡有關(guān)（圖b頂部）。最終的群落特征是和同年齡的人相比具有更低的alpha多樣性和獨特性增加（圖b底部）。底部表示了不同的真菌、細菌和病毒分支組成，以不同的顏色和代表性形態(tài)表示。不同分支的存在或不存在與正文中的描述一致。

晚年期的晚期演替

由于生物學(xué)進程和損傷累積導(dǎo)致的衰老會影響細胞功能的各個方面，微生物群也不例外。隨著年歲增高，腸道菌群alpha多樣性降低，beta多樣性（個體間的變異度）增加。人們對老年期微生物群仍舊知之甚少，文獻報道在某種程度上會出現(xiàn)相悖的結(jié)論（比如，Claesson團隊報道說在65歲及以上的成年人體內(nèi)，擬桿菌的數(shù)量增加，與其他研究結(jié)論相悖），并且大部分研究都集中在腸道細菌上。一般來說，在老年人腸道中觀察到的群落演替是一些細菌的豐度減少，而這些細菌往往在年輕成人（25-45歲）中普遍存在并且是一些優(yōu)勢菌群，例如雙歧桿菌、擬桿菌和乳酸桿菌，這些細菌豐度的減少會導(dǎo)致對條件致病細菌（例如腸桿菌科和梭菌屬）大量繁殖的抵御能力下降。在65歲及以上的人群中，皮膚細菌中角質(zhì)細菌（原丙酸桿菌）和葡萄球菌的豐度下降，而棒狀桿菌的豐度更高。在口腔，羅氏菌和鏈球菌主導(dǎo)口腔微生物群的核心，類似的，卟啉單胞菌、密螺旋體和糞桿菌的豐度持續(xù)下降。老年腸道真菌群以青霉菌屬、念珠菌屬、曲霉屬和酵母菌屬的增加為特點。只有非常少的研究探索皮膚和口腔部位的菌群變化，老年以皮膚馬拉色菌屬和口腔念珠菌屬的豐度降低為特點。在腸道噬菌體中，成年期長尾噬菌體的優(yōu)勢在老年期被微病毒科、短尾噬菌體和交叉組裝噬菌體的優(yōu)勢所取代。與腸道細菌、真菌和噬菌體種群相比，真核病毒的多樣性在兒童期后的整個生命過程中保持不變（圖5a）。

由于個體之間的高度變異性，老年微生物演替的研究重點是對健康和不健康的衰老進行比較研究。目前尚不清楚微生物群是否在健康衰老中具有機制上的作用，或者僅是其他變量（如飲食、運動和藥物）的有力指標(biāo)。然而，在那些壽命更長、更健康的人群中，觀察到的共性是他們持續(xù)保有在健康成年人中廣泛存在的類群，例如擬桿菌屬。此外，百歲老人表現(xiàn)出更獨特的微生物群，往往伴隨著alpha多樣性增加以及更大的個體間群落組成差異，這使“健康”和“不健康”衰老之間的比較變得復(fù)雜。百歲老人體內(nèi)富有次級膽汁酸，這也可能在健康衰老中發(fā)揮作用。盡管前景光明，但這一研究領(lǐng)域仍在發(fā)展中。

死亡后的微生物群

微生物演替并不會隨著個體的死亡而結(jié)束，宿主的死亡可以被視為一種微生物群的生態(tài)紊亂。心臟停止跳動后，組織會因缺氧而分解，而在所有剩余的氧氣耗盡、二氧化碳不再能夠從組織中運輸出來之前，細胞仍會具有一定功能。隨著細胞內(nèi)二氧化碳逐漸積累，細胞內(nèi)的低氧和酸性環(huán)境會導(dǎo)致細胞破裂，同時導(dǎo)致酶（如脂肪酶）等細胞成分滲漏到周圍環(huán)境，隨后進一步促進組織分解，這一過程被稱為自溶。自溶通過消除免疫系統(tǒng)、降低細胞連接緊密程度、向微生物提供營養(yǎng)來觸發(fā)一連串導(dǎo)致組織分解（即腐敗）的微生物過程。在分解的最初幾天到幾周內(nèi)，腐敗這一過程主要由細菌完成，但隨著分解的進行，真菌將發(fā)揮著越來越大的作用（圖6a）。不過，人們對于病毒組在這一過程中的演替和功能作用仍知之甚少。

人體微生物群在人死后24-48小時內(nèi)相對穩(wěn)定，具有獨特的身體部位微生物生態(tài)學(xué)、年齡相關(guān)的alpha多樣性模式和可識別的個性化皮膚微生物群特征。之后，環(huán)境的級聯(lián)變化促進了微生物的演替，從而改變了人體和微生物群，使其不再像一個活著的人（除非身體被冷卻或冷凍）。微生物沒有了此前宿主存活時受到的環(huán)境限制，因此微生物的相對豐度能夠發(fā)生快速變化、并在身體各部位遷移。遷移的細菌群成為從腸道遷移到腸道外的先鋒物種，根據(jù)不同的身體部位參與初級或次生演替。隨著死亡后時間的延長，群落的alpha多樣性通常降低(正如營養(yǎng)脈沖那樣)，而且不同部位的群落組成（即beta多樣性）變得更加相似。腸道和皮膚是研究最多的兩種人類死后微生物生態(tài)。有趣的是，死后腸道中的群落演替也遵循了在老年中檢測到的趨勢，擬桿菌屬和乳桿菌屬的相對豐度降低，而梭菌屬和腸球菌科類群的相對豐度增加。死后皮膚微生物群落的組成和演替依賴于外界環(huán)境。例如，如果暴露在土壤中，大多數(shù)死后微生物和線蟲都會從土壤群落中聚集起來。

死亡微生物群因其對法醫(yī)學(xué)研究的影響而受到越來越多的關(guān)注。大量個體及身體部位微生物群落一致的演替時間模式證明，死后微生物群可以作為死后時間間隔的生物指示劑。在分解的早期階段（即死亡后的前2-3周），微生物演變史包括菌群成員的快速更替，但在分解的后期階段（例如骨骼），當(dāng)幾乎沒有手段可用于估計死后時間時，微生物群作為指示劑對死后時間的估計仍舊是一個有效方法。死亡原因和微生物存在之間的聯(lián)系也已得到證實，例如，在死于心臟病的個體的口腔微生物群中發(fā)現(xiàn)羅氏菌屬的檢出率增加了。此外，皮膚微生物群的脫落可能通過將個人與他們曾經(jīng)接觸過的物品（如手機）聯(lián)系起來，從而有助于追蹤證據(jù)。不過有所局限的是，這種獨特信號能夠準(zhǔn)確匹配到個體時間取決于接觸物品的材料和使用（圖6b）。

圖6 死亡后的微生物群。機體死亡后，微生物群在前24-48小時內(nèi)相對穩(wěn)定。然后組織在自溶過程中開始分解，導(dǎo)致胃腸道微生物群增加，但不同身體部位之間群落的alpha多樣性和beta多樣性減少。在腐爛過程中，真菌的作用增加，身體內(nèi)的微生物群變得更類似于周圍環(huán)境的微生物群（圖a）。根據(jù)死亡后的時間、死因、環(huán)境、死亡地點和年齡的不同，每個個體的死后微生物群都是獨特的，不同身體部位之間也是不同的（圖b）。

結(jié)論和展望

在這篇綜述中，作者描述了目前對不同年齡和不同身體部位的人體常駐微生物群落組成。人類健康和微生物群落組成之間的聯(lián)系促使人們對利用微生物群干預(yù)健康的措施越來越感興趣。想要對整個微生物群落進行有效干預(yù)，而不是富集或消除單一物種，需要了解這些群落是如何形成和維持的。通過研究人類生命周期中的微生物群落的演替，可以幫助人們更好地理解這些復(fù)雜的相互作用以及更好的為宿主提供所需的微生物群組成。此外，正如這里所討論的，這些觀點正在應(yīng)用于其他幾個領(lǐng)域，如法醫(yī)取證等。

雖然本綜述關(guān)注的是微生物群及其與健康衰老的關(guān)聯(lián)，但許多疾病與加速衰老相關(guān)，許多研究也開始在微生物群落背景下進行，比如精神分裂癥。在健康衰老和病理性衰老的背景下，健康的社會決定因素對健康、衰老和壽命產(chǎn)生重大影響。這些因素包括教育、貧窮、職業(yè)、歧視和社會關(guān)系。由于其中許多因素也與微生物群有關(guān)，因此了解這些社會決定因素的作用以及如何改變它們的影響以促進健康衰老將是未來將微生物群與衰老聯(lián)系起來的重要研究主題。

盡管在描述微生物群方面投入了巨大的努力和資源，但人們還只觸及到了皮毛。此外，目前存在許多挑戰(zhàn)和局限性，例如地理抽樣偏倚、隱私問題和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方面的突出問題（框1）。人們對微生物世界的理解也存在很大差異，主要是由于確定細菌以外的分群方面存在技術(shù)困難。病毒組和真菌組的群落結(jié)構(gòu)和跨界相互作用是一個令人興奮的研究領(lǐng)域，技術(shù)進步提高了DNA測序的準(zhǔn)確性并降低了成本。然而，該領(lǐng)域仍存在大量矛盾，尤其是在純粹由測序數(shù)據(jù)驅(qū)動的觀察中，更可靠的分析是鞏固該領(lǐng)域知識的關(guān)鍵（例如對數(shù)比）（框1）。通過高通量培養(yǎng)、宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)來研究相對分類學(xué)組成之外的物種是一個迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域，這是填補人們認(rèn)識空白的關(guān)鍵。

框1 微生物群的取樣和量化

研究設(shè)計和樣本采集

人類微生物群是動態(tài)的。考慮到這一點，設(shè)計一種能夠捕捉微生物群的時間和空間變異性的采樣策略非常重要，特別是當(dāng)這些波動與所提出的科學(xué)問題相關(guān)時。橫斷面研究是從每個人那里收集一個樣本，而重復(fù)測量研究是在多個時間點或身體部位收集樣本。隨著時間的推移，采樣頻率應(yīng)該調(diào)整到同研究人員試圖觀察的現(xiàn)象一致。例如，小鼠晝夜節(jié)律研究通常每2到4小時收集一次糞便樣本。而在IBD中，數(shù)周內(nèi)對患者進行3到5次采樣可以改善疾病分類。對于其他應(yīng)用，例如研究特定治療對個體微生物群的影響，可以進行“n-of-one”研究。在該研究中，同一參與者被反復(fù)探測其微生物群的變化，而治療前收集的樣本則被視為個體水平的對照。

同樣要重視人群的微生物群與地理和種族密切相關(guān)。例如，在一個大型中國隊列中，與年齡最相關(guān)的微生物之一在一個大型美國隊列中根本沒有檢測到。另一個具體的例子與城市社會的“建筑環(huán)境”有關(guān)。城市人口通常較少接觸環(huán)境微生物，而更多地使用家用抗微生物制劑，與農(nóng)村社會的人類微生物群相比引發(fā)了顯著的變化。這些考慮因素與微生物群領(lǐng)域特別相關(guān)，因為大多數(shù)公共微生物群數(shù)據(jù)來自城市化的北美和歐洲人口。因此，現(xiàn)有數(shù)據(jù)集的結(jié)論可能無法很好地推廣到全球人口。

數(shù)據(jù)生成

人類微生物群和微生物組研究產(chǎn)生的測序數(shù)據(jù)的主要類別是擴增子測序數(shù)據(jù)和鳥槍法測序數(shù)據(jù)。在擴增子測序中，對已建立的高變區(qū)的PCR產(chǎn)物（擴增子）進行深度測序，通過匹配個體的“條形碼”來識別和測量群體成員。這里需要做出兩個選擇：要擴增的基因和該基因要擴增的部分。微生物基因組的常見擴增區(qū)域包括細菌的16S核糖體RNA基因、真核微生物的18S核糖體RNA基因和真菌的內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)。選擇每個特定基因中要擴增的高變區(qū)取決于要捕獲的特定微生物，但寬泛地講，常用的包括來自地球微生物組計劃的V4區(qū)。在鳥槍法測序中，所有微生物DNA都要進行測序，而不僅僅是對PCR產(chǎn)物進行測序，因此能對微生物進行更具體的分類。因為它不依賴于任何標(biāo)記基因，所以對某些微生物組來說，鳥槍法測序比擴增子測序的偏差更小。然而，鳥槍法測序的成本要高得多，并且需要更強的計算能力，在不需要鳥槍法測序提高分辨率的情況下，擴增子測序更具有吸引力。該領(lǐng)域另一個擔(dān)憂和突出的問題是隱私，需要確保公共宏基因組數(shù)據(jù)不用于識別研究的參與者。

將測序數(shù)據(jù)與其他分析配對

結(jié)合其他技術(shù)（包括其他組學(xué)技術(shù)）進行擴增子或宏基因組測序，可以豐富人們對微生物群和宿主的理解。如定量PCR和熒光激活細胞分選等技術(shù)，能夠獲得可靠的絕對豐度測量值，為相對豐度提供更多背景信息。通過提供宿主細胞類型或宿主免疫信息，酶聯(lián)免疫吸附測定 (ELISA) 和單細胞測序可以很好地與宏基因組測序配對。培養(yǎng)組學(xué)使研究人員能夠通過實驗驗證基因組對功能或活性的預(yù)測，并將微生物轉(zhuǎn)化為益生菌。微生物產(chǎn)生的代謝物或蛋白質(zhì)是微生物群的下游效應(yīng)物，可以分別通過代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)進行檢測。最后，宿主基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)越來越多地與擴增子和/或宏基因組數(shù)據(jù)配對，用于深入了解宿主基因表達和微生物群之間的聯(lián)系。

元數(shù)據(jù)

最后，從被調(diào)查的參與者那里收集數(shù)據(jù)至關(guān)重要。一般微生物群研究的一些重要元數(shù)據(jù)類別包括人口統(tǒng)計、臨床信息（即其他疾病和抗生素使用）和飲食信息。然而，使用的確切元數(shù)據(jù)會因研究而異。應(yīng)采用生成標(biāo)準(zhǔn)化元數(shù)據(jù)的做法，以便結(jié)果可重復(fù)使用和重現(xiàn)。