科学家首次绘制出了人类肠道和口腔中微生物的遗传多样性
在可观测的宇宙中有多少颗恒星?这曾经被认为是一个不可能解决的问题，但天文学家已经找到了答案——大约有10万亿个。
现在，哈佛医学院和乔斯林糖尿病中心的科学家们已经开始了一个同样令人生畏的探索:人体中有多少基因人类微生物组?
在8月14日发表在该杂志上的一项研究中细胞宿主和微生物在美国，一个由微生物学家和生物信息学家组成的团队首次让我们看到了构成我们每个人体内细菌宇宙的一系列基因。
迄今为止的发现是:人类微生物群中的基因可能比可观测宇宙中的恒星还要多，而且这些基因中至少有一半对每个个体来说都是独一无二的——这种多样性远远超出了研究人员的预期。
这项研究被认为是迄今为止同类研究中规模最大的，也是第一个包括口腔和肠道细菌DNA样本的研究。过去的研究只关注其中之一。
即便如此，这项工作仅仅标志着分析人类微生物组的整个基因组的努力的开始。
“我们的研究是一个入门级的研究，这可能是一个漫长旅程的第一步，目的是了解人类的差异基因的内容驱动微生物行为并进行修饰疾病风险该研究的第一作者、哈佛医学院的研究生布雷登·蒂尔尼说。
微生物指纹技术用于更精确的治疗
科学家估计，人类的微生物群——生活在我们的肠道、口腔、皮肤和身体其他部位的微生物群——含有数万亿细菌，其中大多数是无害的，许多是有益的，一些是致病的。越来越多的证据揭示了这些微生物作为疾病和健康的强大调节器的作用。细菌数量和细菌含量的变化与各种疾病的发展有关，从普通龋齿和肠道感染到更严重的疾病，包括慢性炎症性肠病、糖尿病和多发性硬化症。
迄今为止，大多数研究都集中在绘制我们体内细菌的类型，以确定特定细菌种类的存在是否以及如何影响疾病风险。相比之下，这项新研究深入得多，研究了构成各种微生物物种和菌株的基因。
研究人员说，单独研究细菌种类注定只能为这些微生物在疾病和健康中的作用提供部分线索。鉴于相同微生物之间的基因含量差异很大，了解单个微生物基因如何以及是否影响疾病风险同样重要。
哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所生物医学信息学助理教授、该研究的资深合著者齐拉格·帕特尔说:“就像没有两个兄弟姐妹在基因上是完全相同的一样，也没有两个细菌菌株在基因上是完全相同的。”“同一菌株的两个成员可能有明显不同的基因组成，所以关于细菌种类单独可能会掩盖从遗传变异．"
哈佛医学院微生物学助理教授、乔斯林糖尿病中心研究员、该研究的资深合著者亚历克斯·科斯蒂克说，对微生物基因阵列进行编目可以为精确靶向治疗的设计提供信息。
科斯蒂克说:“这种狭隘的靶向治疗将基于一个人独特的微生物基因组成，而不仅仅是细菌类型。”
此外，科斯蒂克补充说，分析构成一个人微生物群的独特基因可以作为一种微生物指纹，为过去接触不同病原体或环境影响以及疾病易感性提供有价值的线索。
微生物的进化器官
在这项研究中，研究人员开始估计人体微生物基因宇宙的大小，收集了所有公开的人类口腔和肠道微生物群的DNA测序数据。他们总共分析了大约3500个人类微生物组样本的DNA，其中1400多个来自人们的口腔，2100个来自人们的肠道。
研究人员发现，在3500个样本中有近4600万个细菌基因，其中约2400万个在口腔微生物组中，2200万个在肠道微生物组中。
超过一半的细菌基因(2300万个)只出现过一次，这使得它们对个体来说是独一无二的。研究人员将这些独特的基因称为“单基因”。在这2300万份样本中，1180万份来自口腔样本，1260万份来自肠道样本。
更复杂的是，研究人员观察到，这些单基因似乎也与其他基因表现不同:它们执行不同的功能。
分析显示，共同共享的基因似乎或多或少地参与了对微生物日常生存至关重要的基本功能，比如酶的消耗和分解、能量转换和代谢。相比之下，独特基因倾向于执行更专门的功能，比如获得对抗生素和其他压力的抵抗力，帮助建立微生物的保护性细胞壁，保护它免受外部攻击。
研究小组说，这一发现表明，单基因是微生物进化生存工具包的关键部分。
“其中一些独特的基因似乎在解决进化挑战方面很重要，”蒂尔尼说。“如果一种微生物因为接触药物或突然面临新的选择压力而需要对抗生素产生耐药性，单例基因可能是微生物适应的遗传多样性的源泉。”
但是，是什么推动了这种基因多样性呢?
研究人员说，这个问题的答案仍然是进一步研究的主题，但他们认为至少有两个重要的遗传变异驱动因素。
一个是微生物喜欢与它们的邻居自由交换DNA物质，这种现象被称为水平基因转移。为了验证这一假设，研究人员进行了一种特殊类型的分析，以检测两种生物之间共享的分子含量。令他们惊讶的是，几乎没有证据表明水平基因转移是遗传独特性的主要来源。事实上，在口腔样本中检测到的独特基因中，只有不到1%，而在肠道样本中发现的独特基因中，只有不到2%似乎是通过这种邻里基因交换产生的。
因此，研究人员假设，另一个更强大的遗传多样性驱动因素可能是细菌快速进化DNA以应对宿主环境变化的能力。目前的研究并不是为了检测导致这种变化的精确环境变化，但这种变化的例子可能包括一个人吃什么类型的食物，他们使用什么药物，他们选择的生活方式，他们遇到的环境暴露，以及宿主的任何生理变化，包括不同宿主的上调和下调基因或者一个人是否患病。
那么人类微生物群落中有多少基因呢?
该研究估计，根据一项计算，这个数字可能在2.32亿左右。然而，另一种估计得出了一个与宇宙中原子数量相当的数字。
帕特尔说，事实上，真实的数字可能不可知。
“不管它是什么，我们希望我们的目录，以及可搜索的网络应用程序，将有许多实际用途，并为宿主-微生物关系领域的许多研究方向奠定基础。”
进一步探索
