近十年來最火的生命科學研究領域是什么？腸道微生物必然會占有一席之地。人體是由自身細胞和共生菌群構成的超級生物體，不同的因素如不同的飲食習慣可能導致不同的腸道菌群特征從而產生代謝的變化最后引起人體健康狀況的變化（下圖）。越來越多的研究發現這些跟我們共生的小生命，對人體有著不可忽視的作用。從肥胖到代謝疾病，從心情到精神疾病等，相關的研究成果頻頻登上各大頂級期刊，但是目前仍缺乏系統性的關于腸道菌群在個體上的時間跨度的縱向動態研究。 Qiang Lyu, mSystems, 2018 荷蘭格羅寧根大學醫學中心的傅靜遠（Jingyuan Fu）教授團隊于2021 年 4 月 10 日在 Cell 發表了The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome 的研究性文章，對此進行了系統性的深入研究。 摘要： 對4年間的338名個體進行了時間跨度的縱向分析表征了人類腸道微生物群的時間穩定性和多樣性，并將腸道菌群與宿主表型聯系起來，表明血漿代謝物在介導微生物群對宿主生理調節中的作用；探索了宿主個體4年間腸道微生物組成的穩定性，發現部分腸道微生物的遺傳構成具有個體特異性，并利用這一特征針對性地開發了高精度腸道微生物指紋算法，通過測定糞便樣本中腸道微生物的構成便可識別樣本屬于哪位受試者，精確程度達85-95%。 研究設計： ? 對338名志愿者的腸道微生物群進行了Life-lines-DEEP cohort長期隨訪 ? 比較了相隔4年采集的樣本 ? 描述了腸道微生物組成和遺傳組成的長期時間穩定性 ? 描述了腸道微生物代謝物和宿主表型的相關性 旨在回答兩類問題： (1) 哪些細菌特征既具有個體特異性又具有時間穩定性？我們可以用這些特征作為“指紋”來區分同一個人的樣本嗎？ (2) 哪些細菌特征表現出較大的時間變化？它們的變化能與宿主臨床表型和生活方式的變化聯系起來嗎？因此他們分析了這兩個時間點的代謝組的血漿水平，并推斷代謝物是否介導了腸道微生物對宿主健康的影響。 圖1 研究思路概況 部分研究亮點： 1. 利用基因組技術揭示腸道微生物組成可作為宿主“指紋” 為表征腸道微生物組在宿主體內隨時間跨度的穩定性，他們對宿主糞便樣本中的腸道微生物的組成和多樣性進行了分析。結果表明，4年后的腸道菌群的多樣性顯著增加；另外，微生物種類和組成的個體間差異大于個體內差異，也就是說一個人的腸道微生物組成的相似度：和4年前他們自己的相比>和其他人的相比。 圖1 宿主個體腸道微生物組隨時間變化的穩定性 提示我們能否利用微生物遺傳和組成特征來區分宿主個體呢？他們通過一系列研究發現最終使用 71 個特征組合使分類的準確率達到最優，AUC 可 95%，特異性和敏感性分別為 99% 和 88%。然后使用獨立的人類微生物組計劃的數據集（Human Microbiome Project ，HMP）也進一步證實了這種糞便中腸道微生物指紋方法的可靠性。LLD：population-based Lifelines-DEEP cohort. 圖2 腸道微生物組成可作為宿主“指紋” 2. 將腸道微生物組成和宿主表型相關聯 為了研究腸道微生物群在宿主健康中的作用，他們探索了微生物組成和基因組變化與宿主表型變化之間的聯系。使用縱向數據進行了兩步分析，以揭示微生物與宿主表型的關聯。首先，使用混合模型，包括年齡、性別和采樣時間作為協變量，對微生物特征和兩個時間點之間的51個宿主表型進行了聯合關聯分析。接下來對時間差異進行了回歸分析，即微生物變化和宿主表型隨時間變化之間的關聯，結果表明，體重指數、血壓、糖化血紅蛋白和抑郁是相關性最大的表型因素(圖3A)。此外還識別出了細菌豐度（圖3B）、細菌代謝通路豐度（圖3C）、細菌遺傳組成變異（圖3D）、細菌遺傳組成的缺失（圖3E）等變化與宿主的血壓、糖尿病指標、免疫指標及抑郁癥等變化相關。 圖3 腸道微生物變化與宿主表型變化相關 3. 利用代謝組學技術發現和菌株相關的代謝物 那腸道微生物是如何影響宿主表型的呢？一般認為腸道微生物可能通過其代謝產物的吸收循環進入血液甚至穿透血腦屏障來調節宿主健康的。因此他們利用代謝組學技術檢測了宿主血漿樣品中代謝物的含量變化，并將血漿代謝物的含量和腸道菌群的變化做關聯分析，一共觀察到63種代謝物和5個物種的菌株群之間有顯著關聯。如，在292對樣本中，他們識別了與15種代謝物相關的2種不同的F. prausnitzii菌株群 (圖4A)。他們還同時觀察到這些代謝物的豐度變化和菌株具有相關性(圖4B-4E)。這些結果表明，不同的微生物菌株可能發揮不同的功能進而會影響宿主的代謝。 圖4 F. prausnitzii菌株與血漿心血管疾病相關代謝物的含量相關 4. 腸道微生物的變化與宿主血漿代謝物相關 作者還發現，部分腸道微生物的含量、遺傳組成的變化也和宿主的血漿代謝物有一定的相關性，比如與尿毒素及硫胺素等與心血管病及慢性腎病相關的代謝物（圖5）。其中，菌群-代謝物相關性和Blautia wexlerae的變異有關，這些變異區域具有多種功能：編碼膜結構、尿酶和蛋白的結合等。 圖5 腸道菌的特征變化與和疾病相關的血漿代謝物相關 G350靶向腸道代謝組 靶向腸道，精準定性，絕對定量 中科新生命總結了腸道微生物研究中經常出現的幾百種代謝物，利用基于LC-MS的定量金標準MRM技術對樣本中的近350種代謝物進行絕對定量，覆蓋諸多代謝物種類，包含：脂肪酸、氨基酸、神經遞質、膽汁酸、有機酸、吲哚類、維生素等多類代謝物。
