人類微生物組計劃第二階段成果重磅發(fā)布!

美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）人類微生物組計劃（HMP）第二階段——人類微生物組整合計劃（iHMP）研究成果重磅發(fā)布，以Nature封面、兩篇Nature論文和一篇Nature Medicine論文的形式，闡述了人類微生物組和宿主之間的相互作用，對懷孕和早產(chǎn)、炎癥性腸病（IBD）以及糖尿病等疾病的影響。至此，于 2007 年啟動的浩大的 HMP 項目也基本宣告結(jié)束。人類微生物組計劃表明，微生物群落是人類生物學的一個組成部分，在人類健康方面發(fā)揮著重要作用。人類微生物學研究的大量發(fā)現(xiàn)，提高了人類對于多種疾病的認識，開拓了與微生物群落相關(guān)疾病的預(yù)測新手段，也引領(lǐng)了以飲食補充、菌群移植等為基礎(chǔ)恢復(fù)人體微生物群落的疾病治療新方法的發(fā)展。

圖 | 5 月 30 日凌晨Nature和Nature Medicine發(fā)表的三篇 HMP 成果文章（來源：Nature）作為人類微生物組計劃的第二階段，人類微生物組整合計劃旨在利用各種組學技術(shù)，對懷孕和早產(chǎn)群體、炎癥性腸病患者和 2 型糖尿病患者三個不同隊列人群的微生物組和宿主進行分析，建立綜合的縱向數(shù)據(jù)集，探索微生物組和宿主的時間動態(tài)變化（如免疫響應(yīng)和新陳代謝），以理解這些疾病中的微生物-宿主互作影響。美國麻省理工學院和哈佛大學 Broad 研究所的計算生物學和生物信息學教授 Curtis Huttenhower 表示，“人類微生物組學計劃，總體上是一項了解微生物組對健康影響，以及創(chuàng)建一個研究微生物組以發(fā)現(xiàn)新的疾病診斷和治療方法的研究人員資源社區(qū)的旗艦型項目。作為這項計劃的一部分，我們的研究結(jié)果為早期發(fā)現(xiàn)即將發(fā)生的疾病活動鋪平了道路，這也就意味著我們可以積極采取治療干預(yù)，或者尋找潛在的新的生化治療機會，以應(yīng)對 IBD（炎癥性腸?。??！毖芯恐坏恼撐淖髡摺road 研究所的 Jason Lloyd-Price 表示，“考慮到微生物群落與我們的健康有著如此緊密的聯(lián)系，這些結(jié)果為我們?nèi)绾伪苊膺@種關(guān)系出錯時出現(xiàn)的問題，以及我們?nèi)绾胃玫毓芾磉@些終生伴侶，提供了線索。”Nature 當天同期發(fā)表的多篇評論文章也指出，人類微生物組計劃將人體中發(fā)現(xiàn)的與健康相關(guān)的微生物置于中心舞臺上，該項目的第二階段顯示了微生物的紊亂如何與宿主疾病過程相關(guān)聯(lián)。對于宿主-微生物組相互作用的機制探究，提供了豐富、獨特的數(shù)據(jù)資源，并代表了未來人類微生物組多學科研究的范例，對于未來的精準醫(yī)學方法也具有重要價值。人類微生物組計劃

2003 年 4 月 15 日，由 6 國科學家共同參與的人類基因組計劃（HGP）繪制出完整的人類基因組圖譜。這個被譽為生命科學 “登月計劃” 的研究項目，歷時 10 多年、耗資 30 億美元完成人類染色體中 30 億個堿基對組成的核苷酸序列測定，為人類揭開自身奧秘奠定了堅實的基礎(chǔ)。

在人類基因組計劃完成后，許多科學家認識到解密人類基因組并不能完全掌握人類疾病與健康的關(guān)鍵問題，因為人類對與自己共生的巨大數(shù)量的微生物群落還幾乎一無所知。據(jù)估算，人體內(nèi)存在著數(shù)以萬億計的微生物，僅人體腸道內(nèi)就寄生著 10 萬億個細菌，是一個成年人自身細胞數(shù)量的數(shù)倍！正常情況下一個人拉出的“粑粑”，除去水分的固體物中約有 50% 都是腸道細菌的“尸體”。而且多項研究發(fā)現(xiàn)，這些寄生在人體中的微生物在人體多種生理生化功能中發(fā)揮著重要作用。比如它們能夠影響體重和消化能力，能夠抵御感染，影響自身免疫疾病的患病風險，甚至還會影響人體對癌癥治療藥物的效果。

圖 | 人體鼻腔細菌群落的彩色掃描顯微圖（來源：STEVE GSCHMEISSNER/SPL）但一個人的健康狀態(tài)與體內(nèi)微生物群落聯(lián)系背后的機制仍未得到解釋。人體內(nèi)究竟有多少種微生物共生？在一個人懷孕或病毒感染過程中，微生物群落如何動態(tài)變化？ 微生物群落的哪些變化代表了健康變化的原因？它們?nèi)绾闻c免疫系統(tǒng)和新陳代謝等生理過程相結(jié)合？微生物移植為何又成為一些人疾病成功治療的條件？為了更加科學全面地了解人類微生物組，探究人體微生物與疾病健康之間的關(guān)聯(lián)，2007 年美國國立衛(wèi)生研究院聯(lián)合眾多研究機構(gòu)正式啟動人類微生物組計劃，該項目也被認為是人類基因組計劃的延伸。HMP 第一階段（HMP1）于 2013 年結(jié)束，來自美國麻省理工學院和哈佛大學 Broad 研究所、貝勒醫(yī)學院、華盛頓大學醫(yī)學院和 J. Craig Venter 研究所的研究人員，通過對 300 名健康個體鼻腔、口腔、皮膚、胃腸道和泌尿生殖道的微生物群落進行 16S rRNA 測序，識別了生活在人體內(nèi)各個部位的數(shù)千種細菌、真菌以及病毒，揭示了人體微生物群落的復(fù)雜性，證明了寄生在人體內(nèi)的微生物是人類生物學不可或缺的一部分，也挑戰(zhàn)了醫(yī)學界認為微生物只是傳染病病原體的傳統(tǒng)觀點。2014 年，HMP 第二階段（HMP2）即iHMP啟動，旨在特定疾病人群的縱向研究中通過分析微生物組和宿主活動，以及創(chuàng)建微生物組和宿主功能特點的整合數(shù)據(jù)集來研究這些相互關(guān)系，并進一步闡明人體微生物在健康和疾病中的關(guān)鍵作用。

圖 | HMP 第一階段和第二階段（來源：Nature）在這個階段，iHMP 使用多種組學技術(shù)從微生物組相關(guān)病癥的三個不同人群隊列研究中，創(chuàng)建來自微生物組和宿主的綜合縱向數(shù)據(jù)集，分別是由弗吉尼亞聯(lián)邦大學（Virginia Commonwealth University）陰道微生物群落研究小組領(lǐng)導(dǎo)的“微生物組學研究：懷孕整合”（MOMS-PI）項目、由美國麻省理工學院和哈佛大學 Broad 研究所 Ramnik Xavier 和 Curtis Huttenhower 領(lǐng)導(dǎo)的多機構(gòu)研究團隊開展的炎癥性腸?。↖BD）多組學數(shù)據(jù)庫(IBDMDB)項目，以及由斯坦福大學人類宿主和微生物組領(lǐng)先專家領(lǐng)導(dǎo)的整合個人組學計劃（IPOP）。陰道微生物與懷孕、早產(chǎn)

早產(chǎn)（PTB）可能對新生兒造成嚴重后果，包括死亡和長期殘疾。在美國，大約 10％ 的分娩是早產(chǎn)兒，發(fā)展中國家的早產(chǎn)發(fā)生率更高。環(huán)境因素包括女性生殖道的微生物組，是早產(chǎn)的重要原因。值得注意的是，研究人員曾發(fā)現(xiàn)這些因素對非洲裔女性的影響更大，她們也承擔著最高的早產(chǎn)風險。近幾十年來，全球嬰兒死亡率已經(jīng)大幅下降，但早產(chǎn)的發(fā)生率并沒有太大變化，預(yù)測個體早產(chǎn)發(fā)生風險的進展也停滯不前。作為 iHMP 的一部分，MOMS-PI 項目團隊與西雅圖兒童醫(yī)院、全球防止早產(chǎn)和死產(chǎn)聯(lián)盟（GAPPS）的合作，旨在更好地了解微生物組和宿主在整個妊娠期間的變化，并對孕婦微生物組進行識別表征，以評估其對早產(chǎn)風險的影響。在本項研究中，孕婦和新生兒樣本數(shù)據(jù)在弗吉尼亞聯(lián)邦大學和 GAPPS 附屬的診所采集。研究人員在整個孕期、分娩、出院和隨訪期間，通過多次出診從孕婦身體多個部位采集標本，并進行健康調(diào)查問卷；而對新生兒則在分娩、出院和隨訪時采樣。MOMS-PI 團隊縱向追蹤 1527 名婦女，共收集 206437 份樣本，包括產(chǎn)婦陰道、口腔、直腸、皮膚、鼻腔、血液、尿液和嬰兒產(chǎn)品，以及嬰兒臍帶和臍帶血、胎糞和第一次糞便、口腔、皮膚和直腸。

圖 | 與自發(fā)性早產(chǎn)相關(guān)的人體微生物分類（來源：Nature）通過對 597 名孕婦的 12039 份樣本以及其中 45 名早產(chǎn)兒和 90 名足月分娩對照者的 16S rRNA、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和細胞因子譜的縱向分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)，早產(chǎn)婦女陰道內(nèi)的卷曲乳桿菌（Lactobacillus crispatus）水平明顯較低，而 BVAB1、Sneathia amnii、TM7-H1、一組普氏菌屬（Prevotella）物種和另外 9 個分類群的水平較高。此外，MOMS-PI 研究團隊還描述了 BVAB1 和 TM7-H1 的第一個代表性基因組，發(fā)現(xiàn)這些與早產(chǎn)相關(guān)的引導(dǎo)菌群與陰道分泌物中的促炎細胞因子（包括 IL-1β、IL-6、MIP-1β和嗜酸性粒細胞趨化因子-1）相關(guān)。而這些發(fā)現(xiàn)顯示出評估和預(yù)測早產(chǎn)風險的新機會。MOMS-PI 研究團隊確定了陰道微生物群、宿主反應(yīng)和妊娠結(jié)局之間的有趣關(guān)聯(lián)，這些關(guān)聯(lián)與某些自發(fā)性早產(chǎn)病例中陰道變化微生物的參與觀察一致。隨著微生物組、其他環(huán)境因素和新數(shù)據(jù)的加入，有望提高我們預(yù)測妊娠早期早產(chǎn)風險的能力，通過識別高?；颊叽龠M臨床試驗，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)針對性的治療。腸道菌群與炎癥性腸病

炎癥性腸?。↖BD）包括克羅恩?。–D）和潰瘍性結(jié)腸炎（UC），影響全球數(shù)百萬人，在過去 50 年里發(fā)病率一直在增加?？肆_恩病和潰瘍性結(jié)腸炎是受臨床、免疫、分子、遺傳和微生物水平上混雜影響的復(fù)雜疾病，病因和發(fā)病機制至今尚未完全明確。有研究指出，IBD 與城市化、飲食模式轉(zhuǎn)變、抗菌藥物暴露、體內(nèi)微生物穩(wěn)態(tài)等多種因素相關(guān)。腸道微生物不僅一直以來被認為與 IBD 發(fā)病密切相關(guān)，一些研究甚至發(fā)現(xiàn)糞便菌群移植能夠作為 IBD 治療干預(yù)的新方法。為了更好地了解成人和兒童 IBD 腸道微生物群隨時間的變化，IBDMDB 項目團隊對來自五個臨床中心的 132 人進行跟蹤研究。克羅恩病、潰瘍性結(jié)腸炎患者和非 IBD 對照組的樣本分別在麻省綜合醫(yī)院（成人初發(fā)病人）、艾莫利大學（兒科初發(fā)病人）、辛辛那提兒童醫(yī)院（兒科新發(fā)病人）和西達賽奈醫(yī)療中心（成人建冊病人）采集。每個患者采集三種不同標本：縱向糞便樣本、定期組織活檢和定期血樣。在為期一年的研究中，研究團隊共收集了 1785 個糞便樣本、651 個腸道活組織檢查和 529 個血液樣本，并盡可能地從同一組樣品中產(chǎn)生多個分子譜，包括糞便宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、宏蛋白組、病毒組、代謝組，以及宿主外顯子組、表觀基因組、轉(zhuǎn)錄組和血清資料等，同時觀察多種類型的宿主和微生物分子及臨床活動隨時間的變化，生成疾病期間宿主和微生物活動的綜合縱向分子譜。

圖 | IBD 患者宿主-微生物組動力學（來源：Nature）在這里，研究團隊揭示炎癥性腸病活動期間腸道微生物組功能性失調(diào)的綜合視圖。研究證明在 IBD 疾病發(fā)展期間，兼性厭氧菌的典型增加是以專性厭氧菌為代價的，也對應(yīng)著微生物轉(zhuǎn)錄（例如梭狀芽胞桿菌）、代謝物（?；鈮A、膽酸和短鏈脂肪酸）以及宿主血清中抗體水平的變化。此外，同時進行的轉(zhuǎn)錄組學和粘膜組織切片 16S 擴增子分析也確定了可能塑造微生物群落的潛在宿主因子，特別是一些趨化因子，在疾病活動期間參與了潛在的失調(diào)相互作用。IBDMDB 研究項目提供了迄今為止炎癥性腸病中宿主和微生物活動的最全面的描述，對于在 IBD 疾病過程中微生物組和宿主免疫反應(yīng)的各種差異識別，也指明了治療 IBD 的新潛在方向。微生物組與糖尿病

過去 30 年來，全球糖尿病發(fā)病率持續(xù)上升，糖尿病患者數(shù)量已高達 4.22 億（其中 90% 以上是 2 型糖尿病），每年造成全球 150 萬人直接死亡。糖尿病前期是發(fā)展為 2 型糖尿病的高風險狀態(tài)，通常難以被診斷。每年大約有 5% 的糖尿病前期患者會發(fā)展為糖尿病患者，而 70% 的糖尿病前期患者最終會在他們的一生中患上糖尿病。

研究表明，糖尿病前期和 2 型糖尿病通常與胰島素抵抗有關(guān)，即細胞對正常分泌的胰島素產(chǎn)生抵抗失去降低血糖的響應(yīng)，而發(fā)生胰島素抵抗的具體機制，以及糖尿病早期向 2 型糖尿病完全轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵過程，目前尚未明確。為了更好地了解 2 型糖尿病早期階段宿主和微生物的動態(tài)互作，領(lǐng)導(dǎo) IPOP 項目的斯坦福大學研究團隊對 106 名健康和糖尿病前期患者進行了為期四年的跟蹤調(diào)查，記錄這些患者每個季度的呼吸道病毒感染（RVI）等健康狀況，并采集了受試者的血液樣本和微生物組樣本（包括鼻咽拭子和糞便、尿液樣本），對轉(zhuǎn)錄組、代謝組、細胞因子和蛋白質(zhì)組以及微生物組的變化進行了深入分析。這個豐富的縱向數(shù)據(jù)集揭示了許多見解。首先，健康狀況在個體之間是不同的，同時顯示出不同的內(nèi)部變化和/或個人之間的變化；其次，經(jīng)歷呼吸道病毒感染（RVI）或體重變化的個體在這些擾動期間顯示出數(shù)千個特定的分子和微生物變化，并且胰島素抵抗和胰島素敏感個體對擾動的反應(yīng)非常不同。比如在 RVI 期間，胰島素抵抗的參與者表現(xiàn)出明顯的炎癥反應(yīng)減少和延遲，而且與胰島素敏感的參與者相比，胰島素抵抗參與者的腸道微生物發(fā)生了改變。此外，胰島素敏感個體在 RVI 期間鼻微生物的豐富度和多樣性均有所下降，而胰島素抵抗組則無明顯變化；

圖 | 糖尿病前期患者飲食干擾和感染時的宿主和微生物反應(yīng)差異（來源：Nature）第三，對成千上萬個分子進行的全局聯(lián)合分析，揭示了胰島素抵抗個體與胰島素敏感個體之間的特定聯(lián)系，而胰島素抵抗個體與胰島素敏感個體之間的聯(lián)系則不同，這表明兩組宿主-微生物相互作用的模式不同；最后，IPOP 團隊確定了 2 型糖尿病發(fā)病前個體的早期分子特征，包括炎癥標志物白細胞介素-1 受體激動劑（IL-1RA）和高敏 C-反應(yīng)蛋白（hs-CRP） 。此外，這項研究的另一個重要目標是評估宿主微生物組多組學和相關(guān)的新興技術(shù)如何能夠更好地管理病人的健康。IPOP 團隊發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，對每個個體的測量數(shù)據(jù)可以及早發(fā)現(xiàn)不同受試者潛在的疾病狀態(tài)，例如，一些人在空腹血糖測試中首次顯示出糖尿病范圍內(nèi)的測量值，而另一些人則在血紅蛋白 A1c、口服葡萄糖耐量測試，甚至是連續(xù)血糖監(jiān)測中才顯示出糖尿病范圍內(nèi)的測量值。這些結(jié)果以及隨時間推移血糖失調(diào)的詳細表征說明了 2 型糖尿病發(fā)展的異質(zhì)性。總體而言，IPOP 研究揭示了葡萄糖失調(diào)和健康個體在健康和疾病期間不同的反應(yīng)，這些數(shù)據(jù)也導(dǎo)致了微生物相關(guān)的、臨床可操作的健康發(fā)現(xiàn)，包括代謝疾病、心血管疾病、血液或腫瘤疾病以及其他領(lǐng)域，這些疾病信號往往在癥狀出現(xiàn)之前就已經(jīng)存在，顯示出利用包括微生物組在內(nèi)的大數(shù)據(jù)更好地預(yù)測和管理人類健康的能力。人類微生物組學的下一步

在過去十年中，用于人類微生物組研究的資金投入超過 17 億美元，最大的科研投資（約10億美元）發(fā)生在美國，其中約 20% 的資金投入了 NIH 的人類微生物組計劃。NIH人類微生物組計劃也促進了全球其它人類微生物組研究項目的開展，歐盟、中國、加拿大、愛爾蘭、韓國和日本也開展了類似的大型項目。

微生物組學研究的進展也引起了產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。目前，用于以人體微生物為基礎(chǔ)的診斷和治療的產(chǎn)品市場規(guī)模估計在 2.75 億美元至 4 億美元之間，預(yù)計到 2024 年，這一數(shù)字將增至 7.5 億至 19 億美元。

包括 HMP 在內(nèi)的人類微生物組研究結(jié)果共同表明，微生物組是人類生物學的一個重要組成部分，也證實了微生物組對人類健康和發(fā)展的重要性。宿主個體間的差異以及高度多樣的微生物群落動態(tài)變化，推動了使用多種互補縱向測量方法進行群體微生物研究新方法的發(fā)展，也強調(diào)了用機理模型跟蹤此類研究以驗證因果關(guān)系的必要性。HMP 項目也正在創(chuàng)造人類微生物組研究所需的最豐富資源。僅從數(shù)據(jù)量上來看，HMP1 和 HMP2 兩個階段總共產(chǎn)生了 42 TB 的多組學數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都在 HMP 數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)中心（DCC）存檔和管理，供全球科研人員無限制使用。

而 HMP 項目成功結(jié)束，更大的意義在于為所有人類微生物組研究人員留下了一筆持久的“資產(chǎn)”，提供了豐富的數(shù)據(jù)和生物樣本資源。很顯然，HMP 的研究結(jié)果為未來的研究揭示了許多新的研究途徑和技術(shù)，使 NIH 和其他研究機構(gòu)能夠在此基礎(chǔ)上繼續(xù)更好地開展工作。不過，與任何大型研究一樣，iHMP 提出的新問題比它所回答的要多。即使從納入 iHMP 的三項研究來看，微生物群落中個體間基線差異及其隨時間動態(tài)變化的病因?qū)W并不明顯。許多免疫和生化反應(yīng)似乎與一些宿主個體所特有的菌株有關(guān)，但尚不清楚這些菌株對其相關(guān)的疾病表型是否充分或必要。如今，與人類相關(guān)的微生物學也已經(jīng)超越了傳染病和胃腸道疾病，擴展到了幾十年前幾乎無法想象的領(lǐng)域，包括新陳代謝、腫瘤、母嬰健康和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，我們也期待著基于該項目資源的新發(fā)現(xiàn)，以及未來令人興奮的發(fā)現(xiàn)。對于未來 10 年人類微生物組研究的重點，美國國家人類基因組研究所HMP項目主任 Lita Proctor 在Nature雜志同期發(fā)表評論文章指出，要實現(xiàn)基于微生物組的醫(yī)學夢想，還需要增加我們對宿主-微生物相互作用的生態(tài)學和進化層面的理解。-