人类微生物组：健康与疾病的界面

在过去的十年中，随着新技术的出现，对复杂微生物群落的询问，对微生物组在人类健康中的作用的兴趣迅速增长。微生物群落的大规模动态可以用种群生态学研究中使用的许多工具和观察来描述。破译元基因组及其聚集的遗传信息也可以用来了解微生物群落的功能特性。微生物组和元基因组可能在健康和疾病中都有重要作用；他们的探索是人类遗传学的前沿。

直到最近，人类微生物群（以前称为“正常菌群”）的特性基本上还是一个黑匣子。体外培养自19世纪以来一直是微生物学的基石，但不能应用于许多人口最密集的微生物群落。然而，基于DNA的分析已经扩展了我们的视野，通过产生大量新的数据集，可以挖掘出大量微生物群落的组成和功能特性的信息。例如，美国国家卫生研究院的人类微生物组项目（HMP）已经产生了一个2.3TB的16S rRNA亚基因组数据集，从300名美国受试者的690个样本中，在15个身体部位读取了超过350亿次。大规模研究（例如HMP2和欧洲项目Metahit3）提供了对人类微生物组及其集合基因（元基因组）生物学和医学意义的初步了解。

这些项目的目的，特别是HMP，是描述健康个体“正常”微生物组的组成范围。有关健康个体在微生物类群和功能途径上的共性和差异的重要问题正在得到解决。在身体部位，如阴道和胃肠道，主要聚集模式的存在，提供了一种新的方法来分类个体，以及可能的疾病风险。在开发调查工具和确定推动该领域发展的总体概念方面取得了重大进展。然而，这个主题是广泛的，对人类健康和疾病的影响是广泛的。对具有强表型的人类和模型动物系统的研究是在应用遗传学领域取得进展的必要条件。尽管关注细菌很重要，但也需要对古细菌、病毒和逆转录病毒进行调查。

据保守估计，至少5亿年来，动物体内的微生物一直在执行代谢功能。动物宿主及其微生物群的广泛一致的系统发育，包括个体生物和整个微生物群，表明存在基于共同适应的特定选择。微生物与其宿主之间的协同作用通常涉及微生物参与宿主功能，如防御、代谢和繁殖。例如，比较无菌小鼠和常规小鼠表明，微生物群负责血浆中检测到的大多数代谢物。

Ley等人使用已发表的16S核糖体RNA基因序列来比较与人类和其他哺乳动物、后生动物以及跨越一系列环境的自由生活微生物群落相关的细菌组合。脊椎动物肠道微生物群的组成受饮食、宿主形态和系统发育的影响，在这方面，人类肠道细菌群落是杂食性灵长类动物的典型。然而，脊椎动物肠道微生物群不同于与动物栖息地无关的自由生活群落。他们建议，最近发起的国际人类微生物组项目应努力包括人类以及其他哺乳动物和环境样本的广泛代表性，因为微生物组及其微生物组的比较分析是探索生物圈进化历史的有力途径。

多样的微生物和微生物群落的多样性是地球上现代生命的一个特征，也是我们所知的生命进化所必需的。早在32.5亿年前，一些微生物在化石记录中留下了自己的印记，形成了空间组织的群落。如今，微生物生活在整个生物圈的不同群落中。微生物要发展出多种多样的细胞谱系和栖息在多种多样的栖息地，所需的高度新颖性可能需要整个群落进行创新交流。微生物群落的比较研究开始揭示哪些环境特征，如生物地理、盐度或氧化还原电位，对微生物多样性的组织有重要影响。这些类型的分析现在正扩展到遍布全球但短暂的栖息地的微生物群落：动物的体表，包括人类的体表。

多细胞真核生物已经存在了至少四分之一的地球历史，或12亿年。因此，多细胞生命形式和微生物群落之间的相互作用已经有很长的历史了，这可能是脊椎动物进化的开始。宿主与其表生微生物群落之间的古老联系的遗产在今天肠道微生物群对宿主生物学的影响中是显而易见的，从肠道的结构和功能以及先天和适应性免疫系统，宿主对微生物定殖的反应在进化上是保守的，包括斑马鱼、小鼠和人类。因此，决定我们与微生物伙伴相互作用的脚本为我们的智人基因组提供了一些基础。

如果微生物群落与它们的脊椎动物宿主有着如此复杂的联系，那么与脊椎动物身体相关的微生物谱系有多特殊，它们与那些生活在生物圈非生物环境中的微生物有多不同？在他们的这篇综述中，将人类肠道微生物群放在许多其他不同微生物群的背景下，从我们的近亲灵长类到远亲哺乳动物，再到其他后生动物，最后到“自由生活”的微生物群落。这种进化生态学的观点有助于将最近发起的国际人类微生物群项目放在我们人类和我们的微生物进化的生物圈的背景下。