刘双江：理想的中国人肠道菌库
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各位同仁好，我是来自于中国科学院微生物研究所和山东大学微生物技术国家重点实验室的刘双江。今天我和大家分享有关肠道微生物菌库的一些工作。
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从事环境微生物
缘何研究肠道微生物
可能有一些同志知道我是做环境微生物的，怎么会突然来讲肠道微生物呢？
我们知道生活的地球上，有外环境和内环境。最近我在读一些关于医学方面的书，其中有一个描述我印象特别深，就是把人体表面的外部叫做外环境。以前我的工作主要做环境微生物，就是体表以外的。
后来大概是在2012-2013年左右，我开始关注肠道微生物。当时除了人的肠道微生物，还关注过像鱼、蚯蚓等等一些物种的肠道微生物 。
在这本书里边，我觉得它的一个比喻特别形象，就把人的消化道比作是人体的一个内环境，在这个内环境里生存着很多的微生物。其实我们知道，不仅仅是人的肠道微生物，其他的动物的肠道里也有很多微生物。
肠道，其实是一个微生物非常密集的环境，也是做微生物生态学，是研究微生物的非常好的一个对象。
人的消化道主要的一些功能包括食物的消化、营养的吸收、免疫调节等等，这些和肠道微生物都是有关系的。
那么人的消化道里到底有多少微生物呢？我们可以有一个形象的比喻：人体有40万亿~60万亿个细胞，肠道微生物细胞的数量大概是人体细胞数量的10倍，也就是400万亿~600万亿个。
当然这些微生物的细胞比人的细胞体积要小，人的细胞体积要比微生物大百倍千倍。
我们可以用另外一个数字来体会微生物的重要性，在人体的基因组里大约有2万个基因，而我们微生物的基因数量远超于此。
这个数量是有变化的，随着研究的深入，基因数量在不断地调整。2010年的时候，Nature一篇文章说，大概微生物的基因是330万。到了2014年之后，有990万个基因。所以这样一看，在肠道里边微生物的基因数量大约是人基因的100~500倍。
这些微生物不光是数量众多，它的种类也是非常多的。我们知道大约99%的肠道微生物是细菌，另外还有真菌和病毒。在99%的细菌里边，绝大多数是严格的厌氧菌，有一小部分是兼性厌氧菌。兼性厌氧菌里主要是益生菌，极少数的是致病菌或者是条件致病菌。
这些微生物与人的健康是密切相关的。根据前期的研究，肠道微生物与人的心血管疾病或者代谢疾病以及并发症，还有肥胖、脂肪肝，甚至衰老、精神健康、免疫系统等等都有关联。
以前这些研究就揭示了这两个事情是互相有关系的，但是这些微生物是引起心血管疾病也好，代谢性疾病也好，人的其他表型也好，是它的原因，还是结果，一直是存在着争议。只有极少数细菌的作用机制，现在是清楚的。
为什么要建立肠道菌库
人们为了搞清楚那些更多的、还不知道因果关系的微生物对于人体的作用，就发展了各种各样的研究方法，用多种策略进行研究。其中包括基于高通量测序、代谢组、蛋白组等等研究，也有用生态学的一些理念来指导，把肠道微生物作为一个整体去进行研究。
对于我来说，从微生物这个专业的角度来考虑，我们认为还是把微生物培养出来，然后去研究微生物自己的功能，和宿主相互作用的一些因果关系。这样更为直接，也更能提供理论的指导用于将来应用开发。
如果能够培养出肠道微生物，它也能够把我们多组学研究的一些方法和结果进行耦联。
通过培养出来一种微生物，可以把基于高通量测序获得的种群组成、个体差异、演化规律、肠道菌变化等，通过我们分离培养的菌株进行功能验证，和宿主相互作用的机制研究：相互作用到底是哪种物质、哪个分子或哪个基因在起作用，最后可以进行转化应用，把微生物菌株真正地服务于我们人的健康或者疾病的治疗。
如果做这样的事情，最理想的是有这样一个菌库。这个库里边把我们所有的肠道微生物都保存起来，到我们需要的时候，可以从里边取。
如果要做这样一个菌库，我认为有三个性状是非常重要的。
第一个就是这个库里必须保存一定数量的肠道微生物，我把它叫做菌库的实物属性。
第二点就是保藏的菌株要有足够的信息。比方说你保藏的这个菌株是从哪个地方来的，它的分类学的地位，界门纲目科属种是属于哪一个类别的，是哪个物种，然后要有一个名字，同时还要有它的基因组的数据。
现在来说，一个微生物的基因组对于认识这个微生物也是非常重要的，所以第二个属性叫数据和信息的属性。
第三个属性，我把它叫做公开属性。大家可以以一定的方式、一定的规则去利用这个菌做研究也好，做转化也好。
这就是作为一个肠道菌库应该有的基本的属性。
但是做这样的菌库并不是一件很容易的事情，因为微生物的分离培养并不是很容易的，特别是肠道微生物。
现在大家看左边的这个图，在一名健康人的体内包括200~500个物种，这些微生物很多还没有培养。非健康人群或者是婴儿的身体里的肠道微生物，数量要少一些。
我们看右边这个图就能知道，在整个我们所有人类的肠道微生物里有大概有5000种微生物，目前培养的还不到一半。也就是说还有一半多的微生物没有被我们分离培养，这些微生物的分离培养也非常重要的。
因为你没有分离培养，就不知道这些微生物的属性，也很难去做功能研究，或者是应用开发的。
分离这些微生物，当然传统的微生物分离培养技术依然还是有效的，但是也需要一些新的技术和新的策略。
我们在过去多年的时间里，一直从事微生物分离培养，发展了一个技术叫高通量培养，这个技术对于分离肠道微生物也是非常有效的。当然传统的方法我们也继续在实验室应用，但传统方法需要比较大量的人力和时间。
大家看到我这个图里展示的，用这两种办法，通过几步去分离小鼠的肠道微生物。这是我们在做肠道微生物，第一个比较成规模地分离培养、构建菌库的工作。
我要说的第一点，对于分离微生物，样本很重要。样本的获取的方式、保存的方式、处理的方法等等，对后边的培养都会有影响。
通过高通量也好，通过传统的方法培养也好，一旦我们获得了一个纯的菌株，我们要对菌株进行测序，进行表型的研究，最后把这个菌株存到库里边，这样就形成了一个肠道菌库。这个是我们在2000年报道的从小鼠的肠道里分离的一个菌库。
下边我们专门来讲人来源的肠道菌库。在前面这个工作的基础之上，我们就用人的样本，采用健康人的粪便，通过自愿地贡献粪便，然后我们从人的粪便里分离肠道微生物。
我们从200多个人里分离出了上万种微生物，再经过筛选、鉴定等等，一共获得了400多个肠道微生物菌种。每一个菌种有从不同的人来源的，它的性状又不一样，可能每一个物种还包括了几个不同的菌株。这样我们就选了1000多个菌株保存在我们的菌库里边。
目前这个菌库是可以大家开放使用的，当然要有一定的规则、一定的办法去使用。大家能看到这个PPT上面的网址，可以从网址上查到这个库里有哪些微生物。
我们也把自己建的这个菌库和国际上现在有的其他保藏做了对比，大家看到右边图展示了我们菌种库里独有的一些微生物。
这些微生物里有很多是有特色的一些菌种，包括大家看到的列出来的这些新的物种。
这些物种因为是我们第一次发现、第一次培养出来、第一次进行鉴定，所以我们也用我们中国特色的一些人或古代的名家，或者现代的科学家或者是神话的一些名字来命名，包括我们看到的扁鹊菌科、飞凡菌属、洛神菌属等等。
那么我们也有一些物种是用我们中国古代的名医，像以孙思邈的名字命名的孙思邈菌种。我们相信这些新的物种对人的健康和疾病的治疗会有很大的帮助。当然，这个是需要以后进行试验研究。
我们知道这个菌库有很多物种，也有很多有特色的物种，那么它对人的整个的肠道微生物组的覆盖情况是怎么样的？
给大家一个数字，这个是为了说明我们的菌库确实是包括了大部分的肠道微生物。比方说，如果你对一个肠道菌群进行测序，我们这个菌库大概能够覆盖你82%的Reads（测序片段），其实大部分的基因都已经被包括了。
如果用常见的菌属或者是常见的菌种来描述，这个菌库是包括了79%的人肠道菌属，75%以上的人常见物种。
不光光是覆盖度高，它还有一些我们非常想培养的，或者是非常想知道功能的基因，在这个菌库里边有更高的一些覆盖率。
比方说，人类微生物组计划列有一个名单，就是哪些物种是最想要的，那么我们这里边就有最想要的一些物种。
左下图就是已经知道功能的基因和未知功能的基因，那么未知功能的基因，我们常常也把它叫基因的暗物质。
我们库里边的物种包括了更多的这些暗物质。这一点也容易理解，因为有很多新的物种在这儿，所以它的基因的功能并不是很清楚，还需要更多的研究。那么研究完了这些新基因、新物种之后，对肠道微生物和人的相互作用的关系，对人的健康的贡献，可能会理解得更为清楚。
如何合理使用肠道菌库
肠道菌库，我认为有两个方面的作用很重要。一个就是支持科学研究，它可以让我们更加清楚地认识肠道微生物本身，同时更加清楚地认识肠道微生物与宿主互作的类型、互作的机制等等。
另外一个方面就是肠道菌库可以支撑健康事业的发展，从科学研究走向转化应用。如果将来去做应用，一定是需要菌株的，那么我们这个菌库里的物种的多样性、菌株的多样性、功能的多样性，就是很大的一个资源。
它可以帮助我们开发新一代的益生菌、后生元，以及从我们现在粪便移植到菌群移植这样的一些贡献。
下边我就举几个例子。在前期的《肠·道》演讲里边，大家听到过刘宏伟老师、段丽萍老师的演讲。大家知道肠道菌库里的狄氏副拟杆菌，它能够改善人的代谢。通过产琥珀酸或产次级胆酸调节人的代谢。这是从我们菌库里找到一株菌，然后去做研究的一个例子。
另外一个例子是这个解木糖拟杆菌。这个解木糖拟杆菌，自己能够去合成叶酸，然后提高宿主的一碳代谢能力，能够对非酒精脂肪肝、调控血糖、血脂等有很好的一些帮助。
这张是我们和段丽萍教授一起合作的，就发现菌库里的一株Roseburia（罗氏菌属），它能够改善肠易激综合征（IBD）的症状。
我们目前也在对菌库里更多的物种进行评价，就用这样的一个流程：
从菌种库里把菌活化，然后去培养获得它的细胞和发酵产物。它的菌体培养之后，可以直接做动物实验，然后进行功能的表征；也可以把它的代谢产物部分纯化做细胞培养，然后看看它的功能，最后开发有特定功能的菌株或者是代谢产物。
目前我们已经针对了某一类群菌去做分析，这一类群体当然是包括几十到上百个菌株，然后去看它能产生什么样子的代谢产物，然后这些代谢产物可以进一步去开发、去应用。
另外我们也完成了一个菌株——“M”菌株的功能评价，发现它能够产生一类新的代谢产物，显著地改善宿主的血糖和血脂的代谢。
肠道菌库未来可期
最后我展望一下肠道菌库的未来。
我认为肠道菌库在未来还需要进一步丰富菌种库里的物种和菌株的数量。菌种和物种的数量是一个库的基本，只有当扩大到足够的量的时候，才有可能去支撑更好的开发。
同时要建立一些专门的菌株库，比方说针对糖尿病的菌株库，比方说超级供体的菌株库；或者是我们针对某一个分类单元的，比方说毛螺菌科毛螺菌属的一个菌株库，可以更好地去指导将来的应用。
第二点就是肠道微生物的培养还需要提高，包括一些定向的分离培养技术和方法，或一些现有技术的改进和提升，这也是我们提高菌库的库容量的一个非常重要的方面。
第三个就是要发挥菌株库的作用，还需要更深入地去研究肠道微生物和宿主健康或疾病状态的这种因果关系。
最后一个方面就是在临床、应用、健康等等这些领域，要通过开展合作，探知肠道菌里边还有哪些奥秘，开发菌株库实现它的资源价值，来维护我们人类的健康和疾病的治疗。
谢谢大家。