Nature重磅专题：迄今肠道微生物与IBD最全分析，人类微生物组计划阶段成果第1篇
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人类微生物组计划（Human Microbiome Project，HMP）脱胎于美国国立卫生研究院（NIH）一项为期十年的倡议，旨在探索人类与生活在我们身体中各类微生物之间的相互作用。
20年前，关于人体微生态的研究还很新兴，现在，它逐渐成为一个融合基础科学和临床科学的繁荣研究领域，持续吸引全球大量的公共和私人投资。
这是一项雄心勃勃的事业。在HMP的第一阶段，我们已重点研究了身体5个部位（口腔、鼻腔、阴道、肠道和皮肤）的微生物群落特征，并向大众揭示，人体微生物群的分类组成并不能可靠地预测宿主的表型。
HMP的第二阶段于2013年正式启动。在HMP2中，科学家们旨在3种疾病条件（妊娠和早产、炎症性肠病、糖尿病前期）下，探究宿主和微生物组互动的分子机制。
该项计划的最终目标是，将这些发现转化为临床干预。这是一个巨大的挑战，需要多学科密切合作和持续的资金注入。
本文为HMP2阶段性成果的第一篇，《Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases》（IBD的微生物多组学研究）。
在这篇文章中，Curtis Huttenhower和他的同事研究了炎症性肠病（Inflammatory bowel disease，IBD）中，微生物与宿主相互作用的动态变化。他们得出的主要结论为：
IBD患者的微生物组和免疫反应明显不如健康的对照组稳定，他们的微生物组可以在几周中变得完全不同；
IBD患者的肠道微生物多样性改变，比如专性厌氧菌（包括粪杆菌Prausnitzii和人氏罗氏囊菌）的耗尽、大肠杆菌等兼性厌氧菌的富集；
IBD肠道中短链脂肪酸等有益代谢产物减少，泛酸和烟酸（维生素B5和B3）非常低，但出现了原代胆汁酸胆酸及其甘氨酸和牛磺酸结合物的富集；
本研究首次观察到IBD患者肠道中酰基肉碱水平的显著升高。发病期的患者多不饱和脂肪酸水平较高，花生酰肉碱减少，游离花生四烯酸盐增加。
1785份粪便样本、651份肠道活检样本、529份季度血液样本、1套全新的名为“IBDMDB”的分子、细胞和临床工具。
这是一项迄今为止对IBD期间人体微生物群相互作用最全面分析所需的“弹药”。
在此期间，HMP2计划成员、本研究的领导者、哈佛大学计算生物学和生物信息学教授Curtis Huttenhower和他的同事，已经跟踪研究了132名参与者一年时间。
他们将参与者按照患克罗恩病（CD）、患溃疡性结肠炎（UC）和未患炎症性肠病（IBD）进行分组，并要求他们提供符合条件的实验样本。
研究人员将对样本进行多维度的分子谱分析。
包括：粪便16S rRNA 基因数据、完整宏基因组和宏转录组鸟枪法测序、代谢产物和蛋白数据，单细胞测定等微生物、宿主和混合数据，以及它们随时间发生的变化。
IBD微生物的多组学研究
IBD如今影响约350多万人，且发病率还在全球不断上升。
它是由肠道菌群失调引起的一种特发性疾病，临床主要表现为腹痛、腹泻、粘液血便，部分患者还同时存在消瘦和贫血。它的最常见形式就是CD（可发生于从口到肛门的任何胃肠道部位）和UC（仅发生于结肠粘膜）。
IBD的病理并不十分清楚。人类基因组中关于IBD的驱动风险就包括200多种，其中许多与宿主和微生物的相互作用有关。
比如，IBD患者肠道微生物群的常见变化包括兼性厌氧菌（包括大肠杆菌）增加、产短链脂肪酸（SCFAs）的专性厌氧菌减少。
本项研究首次观察到了一系列复杂的化学和分子事件，它们可以在IBD发病期破坏微生物群，并引发免疫反应。
下面我们将罗列，在IBD发病期微生物是如何被破坏的。
1.
IBD发病期，患者肠道微生物群明显较少
首先，研究团队观察到IBD患者的代谢物池的多样性较低。这与之前的研究成果是一致的。研究团队推测，这可能是由于营养吸收不良、肠道水或血液含量较高，及IBD发病期患者肠道转运时间较短所致。
IBD发病期间，被破坏的元基因组、元转录组和粪便代谢
其次，在IBD患者肠道中，多不饱和脂肪酸水平增加，如肾上腺素和花生四烯酸盐。泛酸和烟酸（维生素B5和B3）显著极少（原文使用“枯竭”一词）。
这两种维生素都可以产生用于脂质代谢的辅助因子，而烟酸在肠道中具有抗炎和抗细胞凋亡作用。但B族维生素在典型IBD患者血清中并不缺乏。
值得注意的是，烟酰甘氨酸是烟酸的代谢产物，但它几乎只在IBD患者的粪便中被发现。
2.
IBD发病期患者的肠道微生物组成变化很大
研究人员发现，与IBD的总表型相比，在发病期，所有测量对象所对应的变异比例更大。
而且，发病期的分类扰动与先前在IBD中横截面的观察相同，比如CD中的专性厌氧菌（包括粪杆菌Prausnitzii和人氏罗氏囊菌）的耗尽，以及大肠杆菌等兼性厌氧菌的富集。
影响IBD的两个主要菌种，瘤胃球菌扭矩和瘤胃球菌，在发病期的CD和UC中也存在富集情况。小部分菌种的转录活性也显著增加，并显示出丰度的差异，包括Hathewayi梭菌、Bolteae梭菌和R.gnavus梭菌。
在IBD患者中，微生物群的变化更为频繁和极端
所有患者在发病期间的变化表达均显著增加。而且，IBD患者个体的微生物群与自己之前某个时间点相比，几乎没有相同的物种，这在普通人中是相当罕见的情况。
因此，这些微生物在IBD中的作用可能比仅仅通过基因组丰度的差异所提示的更为明显。
虽然还不清楚哪些方面的失调是IBD的原因（或后果），但这些变化特征，让我们对疾病中微生物动力学的了解更深入了一步。
3.
在IBD发病期，患者肠道有益代谢物的异常
以往的代谢组学研究提示，SCFAs（短链脂肪酸）通常会在疾病活跃期减少。
这项研究也没有发现意外，他们观察到了IBD肠道中丁酸盐与产丁酸盐菌（如F.Prausnitzii和R.hominis）的减少。
但他们还发现了，CD发病期受试者样本中，出现了原代胆汁酸胆酸及其甘氨酸和牛磺酸结合物的富集。
相反的，胆汁酸石胆酸盐和脱氧胆酸盐减少了。相关的细菌包括一组与珠母菌属有关的细菌。几乎所有人都携带这些细菌，但在炎症中会被耗尽，且这些细菌以前没有被分离或鉴定过。
这表明，在IBD发病期，肠道中的产二级胆汁酸菌被耗尽，或者通过结肠的转运时间太短，使这些化合物无法代谢。
IBD与多组学宿主微生物互动过程中，结肠上皮分子的作用过程
另外，团队还观察到了从前未被发现的，IBD患者在菌群失调期间的生化差异，如酰基肉毒碱水平的巨大变化：
尽管基础代谢产物的水平降低，但酰基肉碱水平在菌群失调样本中显著富集。值得注意的是，花生酰肉碱（arachidonoyl carnitine）减少了，并且游离花生四烯酸盐（free arachidonate，一种跟炎症有关的前列腺素前体）增加了。
此外，团队还捕捉到了一种特征不明显的噬菌体在发病期前后存在差异。一些参与者在菌群失调前表现出病毒载量的激增。
这种生化差异结果进一步表明，在菌群失调期，我们所看到的差异不仅仅是被大量稀释的粪便所导致的。
4.
结语
这项研究详细介绍了微生物组测量、元基因组、元转录组学、代谢组学等在疾病发作期和缓和期的研究结果。它表明，不同形式的IBD对微生物群的活性和组成有不同的影响。
IBD是一种自身免疫性疾病，但本次实验的样本结果显示，遭到破坏的不仅仅是免疫系统。已知UC和CD这两种IBD的生物标志物，是“血液中的抗体”，但只有当肠道微生物群发生变化时，这些标志物才会出现。
“不仅是IBD期间免疫系统普遍受到破坏，在疾病活跃期，我们也观察到了非常特别的变化。当肠道中存在微生物和生化变化时，你也可以看到在抗体出现的地方，免疫系统会在全身产生响应，且这种响应也是变化的”，Huttenhower说。
虽然一些有利于耐氧、促炎性分支的分类学变化，已被以前的研究所捕获；但在IBD发病期间，梭状芽孢杆菌（clostridia）出现更大的基因表达，是通过使用新的测量方法（转录子）发现的。
除了短链脂肪酸、胆汁酸和人类免疫反应通路外，研究人员此次所观察到的大规模酰基肉碱代谢异常可能为IBD提供一个有希望的新靶点。
研究人员认为，相关微生物的菌株水平的分析仍需进行（特别是与宿主上皮和相应的分子变化直接相关的）。
最后，Huttenhower团队强调，目前还没有确定这些微生物群的多组学特征，是否能在疾病发生前预测疾病事件，并且还没有确定不同分子事件的疾病相关时间尺度。
我们期待在不远的将来，人类微生物组计划第三阶段会将这些分子结果，以“更好的IBD进展和预测结果的生物标志物”的形式带入临床，并作为一组新的宿主-微生物相互作用靶点，为其开发相应的治疗手段以改善IBD。
参考资料：
[1]Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases, Nature(2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1237-9
[2]Harvard: New findings from Human Microbiome Project reveal how microbiome is disrupted during inflammatory bowel disease
[3]nature: After the Integrative Human Microbiome Project, what’s next for the microbiome community?
[4]nature: The Integrative Human Microbiome Project
[5]genengnews: Gut Microbiome Instability behind IBD Put in Multi-Omic Perspective
[6]the-scientist: Three Studies Track People’s Microbiomes Through Health and Disease
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