这是《肠道产业》第 418 篇文章
编者按：
机体内就像是一片丛林，我们机体内和体表上的微生物种类数量多得令人惊奇。和丛林中的生物一样，它们相互作用，形成复杂的生态系统。
这种相互作用延伸到三个已知的生命分支——真核生物、细菌和古细菌。有时候这种相互作用可能会引发疾病，但是，这种相互作用也能够让我们保持健康。
随着对人体微生物组的了解越来越深刻，我们发现人体中的微生物并非那么简单，仍有不少我们尚不了解的生命体，而这些微生物不仅对人类的健康至关重要，还有可能会改变进化树。
今天，我们特别编译发表在 New Scientist 杂志上关于神秘的人体微生物组的文章。希望本文能够为诸位读者带来一些启发和帮助。
Eric Bapteste 一直在寻找新的生命体，但不是我们熟知的那种。他认为我们不需要从火星上的土壤或是月球上的海洋中寻找这些新生命。他的“猎场”离我们近多了：人体。“生物学充满了惊喜，”巴黎皮埃尔和玛丽居里大学的进化生物学家 Bapteste 说，“鉴于我们还未对世界上所有的 DNA一一取样，所以仍然有可能发现罕见的、奇怪的生物。”现实主义者可能会说，Bapteste 的使命注定要失败。毕竟，我们生活在 21 世纪 10 年代，而不是 18 世纪 10 年代。无法想象生物学家能够挖掘出地球上新的生命分支，更不用说在我们极为熟悉的人体环境中有这样的发现了。但是，他们可能错了。最近的研究表明，我们的身体是微生物的“家园”，这些生物不同于以前的那些，它们非常奇怪，正在改写“生命之树”。更重要的是，无论是好是坏，这种“暗物质”微生物可能会对我们的健康产生深远的影响。人体机体中居住着约 39 万亿微生物，比我们人体细胞（30 万亿）还要多。我们的皮肤上，每平方厘米有 10 亿个细菌。2019 年早些时候，一项研究发现，人体肠道中有多达 2000 种不同的细菌茁壮成长，尽管其中有一小部分仅在某些个体中存在。多年以来，我们认为这些微生物是有害的，但是我们现在知道它们中有许多实际上是我们的盟友，与我们的健康和福祉密切相关。现在我们有了新的技术，可以对它们进行前所未有的深入研究。直到几十年前，微生物学家在鉴定和研究微生物时，必须先得在实验室培养出它们。但是，绝大部分微生物都无法以在实验室被培养，这严重限制了我们的认知范围。今天，我们可以使用宏基因组测序来解决这个问题，这是一种利用 DNA（如人类粪便样本中的那些）鉴定微生物的技术，即便这些微生物无法在培养基中生长，一旦 DNA 片段被识别出来，我们就可以利用软件将这些片段重新拼接成基因组。有了这种方法，现在每个月我们都能发现来自我们体内或体表的之前未知的微生物。然后就有了这些真正意料不到的偶然。如在 2013 年，由加州大学伯克利分校的 Jilian Banfield 和纽约康奈尔大学的 Ruth Ley 领导的一个团队发现了能够支持我们的肠道中存在一组全新的微生物的证据，这类微生物与蓝藻相关。众所周知，蓝藻对于复杂生命的进化过程至关重要。该团队将这些新发现的微生物命名为黑色素杆菌（Melainabacteria），这是以希腊神话中黑暗水域的仙女命名的。黑色素杆菌与蓝藻之间的联系很有趣：据我们所知，后者是唯一一种能够通过光合作用产生氧气作为副产品的生物（植物有这种能力只是因为它们将蓝藻细菌融入了它们的细胞中）。这一“革新”改变了地球的大气层，为复杂的生命诞生铺平了道路。但是蓝藻细菌是如何进化成这样的，这还是个谜，很大程度上是因为我们还没有寻找到相关的微生物。黑色素杆菌的出现填补了这一空白。基于该微生物，微生物学家和地质学家提出，产生氧气的光合作用过程在生命史中出现的相对较晚。而且，黑色素杆菌可能对人类健康有着重要的作用。2018 年的一项研究揭露，帕金森病患者的肠道中比正常人含有更少的黑色素杆菌。这些微生物在与产生神经毒素的蓝藻争夺营养过程中占优，并能阻止蓝藻占有一席之地，以保护宿主。这一发现暗示了人类微生物组的一些重要特征：它们是复杂的生态系统，包含一系列存在相互作用的微生物。这种多样性来自于生命之树的三个重要的分支（Domain）。但是，我们的身体中还存在一些表型上像细菌，但实际上属于另一个叫古菌的分支的微生物。这些微生物通常会出现在像温泉这样的极端环境中。人们曾经认为，机体中不可能存在这些简单的生物，但去年有一个团队报道了，在人类的阑尾和鼻腔中，古菌与细菌一样多。我们的身体是大量微生物的宿主，这些微生物还包括来自复杂的真核生物（涵盖动物和植物）这一分支的真菌。但是，有没有可能在我们的机体内存在不属于这三个已知类目的微生物呢？Bapteste 相信有可能是这样的。2015 年，他和他的同事们在分析来自于粪便样本中的基因序列的过程中，发现了不常见的 DNA，这些 DNA 暗示着神秘的第四种生命类别的存在。这项工作在某种程度上证明了，我们的机体中存在这些奇怪的微生物。而最近的一项发现进一步表明，这一想法并不像听起来这么牵强。早在 2010 年，一个团队在探索我们口腔中的生命形式——人类口腔微生物组时，发现了属于两种罕见细菌的遗传物质，它们被称为 TM7 和 SR1。它们首次被发现是在几年前，分别在泥炭沼泽和河流沉积物中。直到 2013 年，一个团队才从一家污水处理厂中拼凑得到了相对完整的 TM7 基因组。由 Banfield 领导的另一个团队也对存在于地下水中的 TM7 和 SR1 进行了相应的研究。他们发现这些微生物所有的基因组都出奇地小，约为大肠杆菌基因组地四分之一，而大肠杆菌通常存在于肠道和更为广阔地环境之中。由于这类微生物的基因组很小，所以似乎缺少了某些基因，而这些基因被认为是独立生命存在所必需的。这意味着，这些细菌可能只能在与其他细胞共存地情况下生存，无法自我独立复制。自那以后，我们对这些奇怪的细菌有了更多的了解。2015 年，Banfield 地团队使用电子显微镜发现了一些特别小、几乎不可见的东西。单细胞的长度往往不超过几百纳米，这大约是生物学家计算出的细胞能保留功能性的最小尺寸。同一年，还出现了更多意想不到的消息。Banfield 和她的同事们研究了近 800 种拥有短基因组的细菌（包括 TM7 和 SR1）。他们意识到，这些细菌属于一个单独的进化分支，它们以 Candidate Phyla Radiation（CPR）命名。而且，CPR 分支是一个非常稳定的分支：Banfield 和她的同事怀疑 CPR 可能贡献了一半的细菌多样性。结果是，似乎在我们的机体中确实存在一组新发现的不寻常的微生物。西雅图华盛顿大学的 Jeffrey McLean 说：“我们认为这是一个新的成分……我们刚刚了解到这些超小的、拥有微小基因组的细菌。”目前，对它们的了解尚不足，因而它们还不足以成为第四大分支，但 CPR 类已然彻底改变了我们对于生命之树的理解，并深刻地影响了我们对于人类微生物组的看法。事实上，人类机体中，我们目前知道的有三种 CPR 细菌 TM7，SR1 和 GN02。目前为止，已经在人类口腔、肠道、阴道和皮肤表面发现了这些细菌。现在我们知道，它们也在穴居人的体内存在。对于 48000 年前穴居人牙齿上的矿物沉淀的研究中，也发现了多种 CPR 细菌，其中包括一株名为 TM7x 的细菌。这些细菌到底在做些什么呢？答案正在浮出水面，但这并不是个好消息。CPR 细菌通常只占微生物组中不超过 1%的部分，但是在某些疾病患者（包括炎症性肠炎）体内，数量要多得多。患有严重牙龈疾病的人，口腔微生物组中有 20%可能是由 CPR 细菌组成的。但是这些神秘的微生物真的造成了这些健康问题吗？为了解答这个问题，现在位于马萨诸塞州剑桥大学福赛思研究所的 McLean 和 Xuesong He 决定进行更为深入的研究。2015 年，他们带领一个团队，成功培养了一株来源于人类口腔的 TM7 菌株，使得在显微镜下研究这一微生物的生物学和行为特征成为可能。这一菌株——TM7x，仍然是迄今唯一成功被成功培养的 CPR 细菌。
这并不容易。McLean 和他的团队发现，他们只能在共生培养基中培养 TM7x，这种培养基中还含有另一株名为龋齿放线菌（Actinomyces odontolyticus）的口腔微生物，这种微生物如果在我们的微生物组中数量过多，会造成炎症性疾病。在显微镜下对这些培养物的研究揭示了这两种微生物如何共存的：微小的 TM7x 细胞寄生在较大的龋齿放线菌表面。这种微生物与微生物的寄生关系在自然界中也有被发现，但之前从未在我们的机体中发现。McLean 说：“机体中的一种微生物寄生于另一种微生物上，这是个新的发现。”尽管 McLean 和 He 有证据表明 TM7x 可以杀死龋齿放线菌，但是这种寄生关系依然是一种奇怪而复杂的关系。有趣的是，当龋齿放线菌被 TM7x 寄生后，就能够躲过我们的免疫系统监测。这可能会帮助解释 CPR 细菌与包括牙龈炎和炎症性肠病在内的疾病之间的关联。这些细菌是健康人体微生物组的标准组成成分，但如果数量过多，我们的免疫系统就会不堪重负。McLean 说，也许被 CPR 细菌寄生能够使得某些细菌不被我们的免疫系统监测到，并帮助它们增殖，促进炎症反应，尽管这是一个未经证实的想法。Bapteste 说：“CPR 细菌的发现是一个巨大的惊喜。”这个发现可能具有很大的意义。毕竟，如果我们才刚刚意识到我们的微生物组中存在一种从前未知的生命亚类，谁知道我们体内还潜伏着什么样的其他生命形式呢？Bapteste 是一个现实主义者，他意识到，识别这些生命需要时间，而且并不容易。“寻找新奇的事物总是比挖掘我们已知的微生物困难得多，”他说，“这将是一个漫长的寻找过程。”原文链接：Colin B. Your mystery microbiome.[J] New Scientist, Volume 242, Issue 3225, 2019, Pages 28-31, ISSN 0262-4079,https://doi.org/10.1016/S0262-4079(19)30648-7.