Science封面：吃啥补啥，对肠道菌来说，这个可以有
作者：李琼
编辑：明天
本周《科学》杂志封面上手捧蜂巢的哈扎族猎人。摄影：Matthieu Paley | National Geographic Creative
和哈扎人一起登上《科学》的，还有他们体内的肠道菌。
肠道菌群，是寄居在人体（或动物）肠道内微生物群落的总称。已有研究表明，宿主为肠道菌群提供稳定的小生境，而肠道菌群也为能宿主提供多种帮助，诸如协助宿主消化，提供宿主自身无法合成的必需营养物质[1]。因而，肠道菌群近年来甚是大红大紫，吸引了众多科研人员的目光。肠道菌群的构成和数量、肠道菌落如何与宿主相互作用，尤其肠道菌落如何影响宿主健康等方面的研究和报道层出不穷，也可称得上是科学界的流量担当了。
哈扎人（Hadza）生活在东非大裂谷中段的埃西亚湖湖畔，是非洲为数不多的纯靠狩猎和采集为生的部落之一。目前，还有不到200位哈扎人仍然以这种原始的生活方式生存。
哈扎人生活的地区气候有明显的旱季（十一月到四月）和雨季（五月到十月）。 季节在很大程度上影响着哈扎人的饮食。他们在旱季主要以狩猎为生，在雨季则多食用浆果类和蜂蜜等。
靠狩猎为生的哈扎人。图片来源：参考文献[2]
在2013年到2014年这一年多的时间里，斯坦福大学医学院的研究人员，收集了188位哈扎人共计350个粪便样品，并一一对这些样品进行了16S rDNA测序。这是一种对细菌DNA中特定可变区段进行测序的技术。利用这项技术，科学家可以对细菌进行分类和鉴定。
分析结果显示，哈扎人的肠道菌群组成在旱季和雨季差别较大，但在相邻年份的旱季之间则较为接近[3]。并且，旱季肠道菌群中菌种的多样性高于雨季。此结果恰好与哈扎人在旱季和雨季的狩猎和饮食习惯相呼应。因而作者推测，正是不同季节饮食结构的差异，导致了哈扎人肠道菌群的季节性变化。
不同的旱季和雨季中，哈扎人肠道菌群组成的差异。图中两个绿色盒子分别代表相邻两年的旱季，紫色盒子代表两次旱季之间的雨季。可以看到，绿色盒子表示的两组旱季时期，哈扎人肠道菌群样品组成之间无显著差异；而这两段旱季和雨季时期相比时，哈扎人肠道菌群样品组成之间均差异显著。图片来源:参考文献[3]
为了弄清楚肠道菌群在旱季和雨季的周期轮回与饮食结构的关系，研究人员又对比了两种不同季节中哈扎人肠道菌群的具体差异。比较结果显示，厚壁菌门（Firmicutes）在多个季节变化中均较稳定存在，而拟杆菌门（Bacteroidetes）则会有季节性的变化。
具体来说，70%的拟杆菌门在干旱季节结束、多雨季节开始时候会消失，而这些消失的细菌中又有很多会在下一个干旱季节来临后重新出现。除了拟杆菌门，研究还发现，琥珀酸弧菌科（Succinivibrionaceae）、螺旋体科（Spirochaetaceae）、普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）等，在季节更替中也有波动。
旱季和雨季交替过程中，哈扎人肠道里几种主要细菌的数量随季节变化的情况。图中横坐标分别为2013-2014年间不同阶段的旱季和雨季。其中，LD代表旱季晚期（late-dry），LW代表雨季晚期（late-wet），ED代表旱季早期（early-dry）, EW代表雨季早期（early-wet）。图中的不同颜色分别代表不同的细菌。纵坐标表示样品中的可操作分类单元（Operational Taxonomic Unit, OTU）——OTU数值越大，这种细菌的数量就越多。图片来源：参考文献[3]
至于造成哈扎人肠道菌群系统性季节差异的原因，研究人员推测，可能是由于不同季节饮食结构的变化导致了微生物群落功能的相应变化，进而影响到微生物群落组成。为验证这个猜想，研究人员分析比较了哈扎人和美国人肠道菌群的一些功能。结果发现，在哈扎人肠道内，合成、分解碳水化合物的酶（Carbohydrate active enzymes，CAZymes）的多样性在旱季和雨季间差异显著——在旱季，动物性碳水化合物对应的酶增多；在雨季，肠道菌群对果聚糖的利用能力会增强（果聚糖是果糖聚合而成的多糖，人体很难直接利用，但可作为肠道菌群的营养物质）。这个变化也与哈扎人在旱季和雨季中分别消费肉类和浆果类食物的事实相一致。
相比于美国人，哈扎人的肠道菌群拥有更丰富的合成、分解碳水化合物的酶，并且哈扎人的肠道菌群对植物性碳水化合物的利用能力更强。而健康美国人的肠道菌群利用粘蛋白的能力较强（说明美国人的膳食结构中，植物类食物的占比相对更少）[3]。
研究结果还显示，哈扎人和美国人肠道菌群的抗生素抗性基因也有差异，且哈扎人肠道菌群抗生素抗性基因相对更少[4]。换句话说，与哈扎人相比，美国人的肠道微生物对抗生素有更强的抵抗力。
哈扎人和美国人肠道内分解和合成碳水化合物的酶多样性比较。图中纵坐标表示酶多样性的高低，盒子的中位数（盒子中间的线代表中位数）越高，样品组内该酶类多样性越高。红色盒子代表美国人（数据来自人类微生物组计划HMP）；两个绿色盒子分别代表2013年和2014年的旱季；紫色盒子代表2014年雨季。 图片来源：参考文献[3]
哈扎人和美国人肠道菌群对不同类型食物利用情况的比较。图中红色盒子代表美国人(数据来自人类微生物组计划HMP)，蓝色盒子代表哈扎人。左图表示与植物性和动物性碳水化合物相对应的酶的比例，右图表示与粘多糖和植物源碳水化合物对应的酶的比例。可以看到哈扎人肠道菌群对植物源的碳水化合物利用能力更强，而健康美国人肠道菌群利用粘蛋白的能力较强。图片来源：参考文献[3]
为了进一步了解哈扎人和现代人肠道菌群的差异，研究人员还采集了来自16个国家，生活方式各异的18个人群的肠道菌群样品，然后比较分析了哈扎人及其他原始人和现代人的群肠道菌群组成的差别。研究发现一些在哈扎人肠道中随季节周期性变换的细菌，在现代人肠道中可检测到；而一些原始人群和现代人群共有的肠道菌群在哈扎人肠道内则无季节性波动。
虽然关于肠道菌群的各种研究已经发现了许多有趣的现象，然而与人类协同进化的肠道菌群在现代人肠道中究竟扮演什么样的角色，有着怎样的功能，这些依然不够清晰，还需继续探索。
也有科学家推测，对人体健康有诸多影响的短链脂肪酸（Short-chain fatty acds, SCFAs）在肠道中的成分变化，或许也跟季节有关。或许，斯坦福大学医学院这个课题组的下一个研究计划，就是季节变化对哈扎人肠道内短链脂肪酸的影响。也将是很有趣的课题[2]。
作者名片
排版：晓岚
滑动阅读参考文献：
[1] Flint H J, Scott K P, Louis P, et al. The role of the gut microbiota in nutrition and health[J]. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology, 2012, 9(10): 577-589.
[2] Shyamal Peddada. Seasonal change in the gut–the gut microbiome of Hadza hunter-gatherers changes with the season[J].Science, 2017,357(6353):754-755.
[3] Samuel A.Smits, Jeff Leach, Erica D. Sonnenbug, et al. Seasonal cycling in the gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers of Tanzania[J].Science, 2017,357(6353):802-806.
[4] Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome[J]. nature, 2012, 486(7402): 207.
科学人问答
欢迎个人转发到朋友圈
本文来自果壳网
转载请联系授权: sns@guokr.com
投稿请联系scientificguokr@163.com
扫描二维码，瞬间涨姿势
科研最新进展，学术最新动态
顶级学者的思考和见解
来，伸出圆手，点个赞
【拓展阅读】受伤的肠道菌：抗生素留下的烂摊子，如何收拾