10篇Nature专题报导人类微生物组计划2(iHMP)成果及展望
The following article is from BioArt Author 珊今
本文来源于BioArt，有修改
2019年5月30日《自然》封面聚焦人类微生物组整合计划（iHMP）
编者按
人体微生物组计划（Human Microbiome Project, HMP）在2007年被提出之后，第一阶段主要以健康人群为对象描绘了人体微生物的全景图，为我们发现和理解人体内的微生物群体奠定了基础，同时也提出了一个问题：微生物在健康与疾病中扮演了什么角色？为回答此问题，HMP进入了第二阶段——人类微生物组整合计划（Integrative Human Microbiome Project，iHMP或HMP2）。2019年5月30日，Nature杂志公布了iHMP的完成。该计划包括了微生物组与早产（Nature Medicine）、微生物组与炎症性肠病（Nature）、微生物组与前驱糖尿病（Nature）三个部分，即三种与微生物组关联性最为紧密的生理或病理状态。同时，Nature还刊登了关于iHMP的观点文章（即本文）。BioArt的特将这4篇文章进行解读或编译，为读者带来最新的微生物组学研究进展。同时Nature还配发了社论、评论和新闻与观察三篇文章，Nature Medicine也配发了观点、评论和新闻与观察三篇文章，共计10篇文章对这一计划成果解读与展望，专题评论详见 https://www.nature.com/collections/fiabfcjbfj/content/perspective-&-commentary。
撰文 | 珊今
责编 | 兮
近年来，组学的研究方法给科学家们在探索人体微生物群落奥秘的路途上插上了翅膀。发起于2007年底的人体微生物组计划（Human Microbiome Project, HMP）不光作为2003年完成的人类基因组计划的延伸，它同时也是第一个真正意义上的微生物组计划，后续不同国家不同组织也陆续开展了属于自己的微生物组研究。
人体微生物组计划之前通过一些组学的研究，人们已经有了很多令人欣喜的发现：例如每一个人似乎携带着属于自己的微生物群，这些菌株主要是个体在生命早期获得的，在环境和种群之间存在差异。还有微生物多样性在人体不同生态位表现不同，例如，通常认为肠道内的多样性更大，但这也可能与女性生殖道的生态失调状态和不良事件风险产生关联；微生物群可能受到炎症性肠病和糖尿病等疾病的干扰，但是疾病与微生物种群之间的关系还有待探索。同时很多问题也急需得到解答：在怀孕或病毒感染等过程中，微生物组动态变化如何？微生物组的哪些变化代表了健康变化的原因而不是健康变化带来的结果？个体的微生物组的哪些物种可能对健康至关重要？它们如何与免疫系统和代谢等生理过程整合并维持这些生理过程？什么生态因素决定了微生物组移植的成功，为什么它们能成功地治疗一些个体，而不能治疗另一些？
为了系统性回答这些问题，HMP计划孕育而生。在2007年底宣布发起时，HMP第一阶段（也称HMP1）的目标是确定在没有明显疾病的情况下，“健康”的微生物群落是否存在共同的元素。通过研究基线成人人口和具有特定疾病的“示范”人群，检测其女性生殖道、肠道，和皮肤等的微生物群落组成，得到了一大批宝贵的数据：大量来自分离株、个体和群体的微生物和群落的核酸序列。制定了支持可重复的全身微生物组采样、数据生成的实验方案、微生物组和流行病学分析的计算方法等。
HMP1的主要发现之一是微生物组的分类组成通常与宿主的表型没有很好的相关性，宿主表型可以由微生物的分子功能以及个体的菌落组成更好地预测。这个发现恰恰是第二期HMP（HMP2）起始的基石。人类微生物组整合计划（iHMP或HMP2），被设计用于探索宿主-微生物体相互作用，包括免疫，新陈代谢和动态分子活动，以获得更全面的宿主-微生物交互数据。这个多学科计划试图扩大微生物组研究可以利用的资源基础，开始从机制上解决宿主和微生物组之间的关系，并解决上面提出的问题。以疾病为目标的HMP2鼓励使用多种互补方法来纵向评估人类和微生物的关系，并为未来的工作提供实验方案，数据以及生物样本。这些项目包括三项研究，分别是怀孕早产（preterm birth, PTB），炎症性肠病（inflammatory bowel diseases, IBD）以及影响前驱糖尿病的压力源，它们是已知的微生物群组和人类健康紧密相连的生理状态。目前这三项研究已经取得了第一阶段的成果，提供了可供研究者使用的丰富资源。
图1：两期HMP示意图
早产(preterm birth, PTB)会给新生儿带来毁灭性的后果，包括死亡和长期残疾。在美国，大约有10%的婴儿早产，而在贫穷国家中这一比例甚至更高。环境因素，包括女性生殖道的微生物群是导致早产的重要因素。值得注意的是，这些因素对非洲女性的影响更大，她们负担着最高风险的PTB压力。尽管婴儿的产后死亡率已经大大降低，但是PTB的比率却没有降低。怀孕期间，母体的免疫系统维持正常促炎作用和抗炎作用的微妙平衡，能促成PTB的因素包括母胎耐受性的崩溃，血管紊乱、压力过大、宫颈功能不全、早破的胎膜、羊膜内感染。微生物进入子宫被认为是通过破坏母体免疫平衡，导致自发性早产和/或通过释放微生物产物破坏胎膜完整性导致胎膜的过早破裂进而导致PTB的。
多体微生物组研究:妊娠主动性（MOMS-PI）研究组作为HMP2的一部分，通过研究孕妇的微生物群组来评估它们对PTB风险的影响。该项目纵向跟踪了1527名妇女妊娠期共收集标本206,437份，包括产妇阴道、口腔、直肠、皮肤和鼻孔拭子、血液、尿液、生产产出物，婴儿脐带血，胎粪以及首次大便，口腔，皮肤和直肠拭子（注：实际分析了597名孕妇共计12,039份样本）。应用多组学方法测定宿主和微生态的特点，生成16S rRNA基因检查的整合、纵向与全面的数据集，质谱法脂类组学数据，和细胞因子测定。一部分属于完整宏基因组和宏转录组测序的样本将培养分离细菌菌株，进行基因组测序，并生成相互作用组地图。该项目组发现了阴道微生物群、宿主反应和妊娠结局之间的关系，这将为预测产妇PTB的风险提供依据。
图2：生殖道微生物群落与宿主与妊娠和早产的关联
胃肠疾病中肠道微生物组的研究有着特别悠久和详细的历史，尤其是在复杂的慢性疾病中比如炎症性肠病（IBD）。炎症性肠病，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，影响着全世界数百万人，在过去50年或更长的时间里，随着西方化、城市化等多重因素的介入以及饮食模式，抗菌药物的使用等造成炎症性肠病发病率不断上升。微生物群落早很在就被认为与IBD相关，但是其详细的分子机理还有待探究。在HMP2中，炎症性肠病多组学数据库（IBDMDB）项目在一年的时间里随访来自五个临床中心的132人。通过分析1785个粪便样本，得到了微生物和宿主活性的纵向综合分子谱（自我收集，每两周邮寄一次），651例肠道活检，以及529个季度的血液样本。利用组学数据生成（主要但不完全是核苷酸序列和质谱法）提供微生物、宿主的多层面数据，包括16S rRNA 基因扩增子、宏基因组和宏转录组测序、代谢组和蛋白组数据，单细胞测定，病毒组测序，以及血清学数据。建立了完整的分子互作网络，找到了其中关键的分子。对于IBD的治疗有着重大的现实意义。
图3：IBD中宿主和微生物组之间的动态变化
2型糖尿病影响超过10%的美国成年人，另外30%的人有早期糖尿病症状，这里面70%的人会在之后的生活中发展成为糖尿病。二型糖尿病的特征是复杂的宿主-微生物群落相互作用，但是人们对此知之甚少。为了更好地理解2型糖尿病的早期阶段，作为HMP2的一部分的个人综合“组学项目”随访了106名健康者和患者，收集了他们的各项生理指标，发现了宿主健康和微生物群落之间的关系，为我们早期检测糖尿病提供了可能。
图4：糖尿病前期病人对于饮食扰动以及传染性疾病的不同的宿主-微生物群落反应
HMP1和HMP2阶段共产生了42 TB (万亿字节)的数据，这些数据的地址是http://ihmpdcc.org，并且不同的数据库还有不同的存放地址。
虽然三项HMP2研究中的每一项在各自的健康和疾病领域都揭示了新的生物学规律，但是令人惊讶的是它们的宿主-微生物组免疫和生态特征有很多相同。鸟枪法宏基因组学、非靶向代谢组学和免疫分析等组合在捕获可解释的宿主和与之相关的微生物相关疾病中尤其有效。在个体数量较小的群体中，通常很难与遗传变异建立联系。所以为了深入剖析多组学，我们期待整合到更大的横向研究宿主进行测序。与大多数微生物组研究一样，另一个值得注意的特性是个体，群体或者表型内发生的变化通常远小于个体间基线之间的差异。因此，健康相关的微生物组相互作用在每个个体中都不相同，这使得大规模的具有个体内纵向剖面的人口调查对于了解微生物组相关疾病的机制至关重要。
因此，宿主-微生物组相互作用在三项研究中的每一项中都具有特定的部位和宿主。在所有三种情况下，在原始组织内微生物变化和相关的宿主反应在发生变化时最易被观察到。宿主-微生物组相互作用具有局部化以及全身效应。来自于宿主或微生物方面的强烈的局部扰动可以诱导随后的持续反应或者其他组织的反应。因此，继续协调一致地努力测量每种条件下所涉及的不同宿主和微生物特征对发展有针对性的、个性化的治疗方案以及对揭示调控宿主-微生物互作的规律有重大意义。
美国国立卫生研究院HMP项目和其他许多项目的共同成果研究表明，微生物群落是人体生物学不可缺少的组成部分，在健康和幸福方面起着重要的作用。个体间可变性和高度多样化的宿主-微生物组随时间的变化推动了人群微生物组新方法的开发。HMP项目的成功关闭本身留下了一个持久的遗产，将持续为人们提供智力支持。但是伴随着HMP结束的同时，它也带来了更多亟需解答的问题：许多免疫和生化反应似乎与特定菌株有关，这对于一个或几个单独的个体是独一无二的，但目前尚不清楚这些菌株对于疾病来说是因是果。最后，HMP二期的每个研究在地理上或者是遗传学上鉴定出具体的菌群、早期生活史的全球差异、传染病的传播途径或者饮食可能对微生物动态性及对人类疾病的影响。人类相关的微生物组在最近的十几年从传染疾病和胃肠疾病发展到更广阔的领域之中，包括代谢、肿瘤、母婴健康以及中枢神经系统的功能等等方面。随着NIH HMP项目终结，展现出未来新研究、新技术发生发展的康庄大道。我们也期待从该项目的资源中获得更多的新发现。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1238-8
Lita M. Proctor, Heather H. Creasy, Jennifer M. Fettweis, Jason Lloyd-Price, Anup Mahurkar, Wenyu Zhou, Gregory A. Buck, Michael P. Snyder, Jerome F. Strauss, George M. Weinstock, Owen White, Curtis Huttenhower & H. M. P. Research Network Consortium The Integrative. The Integrative Human Microbiome Project. Nature. 2019, 569: 641-648. doi:10.1038/s41586-019-1238-8
制版人：珂
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