此前我们已经对微生物组的研究技术进行了系统性的总结(微生物组研究技术——微生物也能做单细胞)，这里我们回归其间的生物学意义，对微生物与宿主疾病之间的关联、研究思路、领域现状进行一个全面的总结。

人类基因组包含大约 20,000 个蛋白质编码基因。通过宿主内在因素以及感知环境变化以组织特异性方式调节这些基因。而我们每个微生物组中的微生物基因组包含的基因含量大概是我们自己基因组的 100 倍。由于微生物组的编码潜力大大扩展了我们自己基因组的编码潜力，这种遗传物质被称为我们的“第二基因组”。微生物可以通过建立宿主免疫、加强肠道屏障以及提供有益代谢物等对宿主健康发挥着重要作用。同样地，它们与如炎症性肠病、心血管疾病以及肠癌等病因复杂的疾病具有关。虽然肠道菌群与宿主的关系还未完全弄清楚，但目前已经证明微生物群在包括肥胖在内的多种疾病中起因果作用。

一、宿主与微生物组关系的建立

宿主和肠道微生物组之间的关系建立从出生时新生儿微生物组的定植开始。出生时的分娩方式（剖宫产或阴道分娩）对微生物组的建立起着重要作用。出生后从母乳喂养过渡更多的到固体食物时，再加上适当的营养，婴儿微生物组便基本成熟。新生儿微生物组的建立与先天黏膜免疫的建立相一致，早期使用抗生素对其建立会造成干扰。在婴儿3岁之前，微生物组的组成变化多样， 40 岁左右才能逐渐稳定，40岁以后保持稳定，不同个体之间的微生物组具有高度特异性。微生物组对长期变化具有相对抵抗力，即由于饮食改变、抗生素短期治疗或病原菌急性入侵导致微生物短期内变化，但短期变化后微生物组通常会逐渐恢复到平衡状态。然而，在其短期调节过程中会中断正常代谢物的产生，这反过来可能会导致宿主基因表达的变化，从而导致宿主产生更持久的影响。

二、研究微生物与宿主关系的方法与思路

研究微生物与宿主关系的方法很多，这里介绍列举一些常见且较为合理的方法与思路：

1. 模型动物与细胞实验
鼠、斑马鱼、秀丽隐杆线虫或果蝇。一种常用的方法是将无菌动物（如无菌小鼠）与正常动物进行对比。另外，就是将细胞与微生物或者不与微生物进行共孵育，来研究微生物与细胞之间的关系。

2. 活体取样
主要针对临床与动物实验，分别对正常与患病人或动物的不同部位（建议含病变和非主要病变部位）微生物进行取样，并进一步借助测序、培养、病理等手段进行研究。关于测序的方法这里不做赘述，上篇(微生物组研究技术——微生物也能做单细胞)已做详细介绍，需要提到的是临床也会用全基因组测序（GWAS）结果讨论微生物与宿主的关系。
需要注意的是临床研究要实现无菌和正常模型（含菌）对比几乎不可能，故临床也常用孟德尔随机化（MR）。

图1 微生物与宿主关系的研究方法示意图

三、微生物与宿主到底如何相关影响

1. 微生物与宿主的直接关系
与正常小鼠相比，无菌小鼠的胃肠道 (GI) 中没有微生物组，粘液层要薄得多。屏障功能更差，肠道中可能存在先天炎症。无菌小鼠的新陈代谢率降低，盲肠增大。并且用各种测序手段观察IBD模型中，正常与疾病模型小鼠或人的微生物组成差异明显，这些说明微生物可以直接影响宿主基因的表达具，反过来，宿主生理状态、肠道环境和基因表达也会影响微生物的组成。

图2 宿主与微生物之间相互影响

2. 微生物的代谢物
越来越多证据表明微生物能够通过转化吸收的营养物质以及修饰宿主的初级代谢物来产生一些特殊的代谢物。这些代谢物积极地影响宿主细胞，尤其是肠道相关的细胞，如肠上皮细胞、肠道免疫细胞。

1）短链脂肪酸（SCFAs）
短链脂肪酸 (SCFA) 是膳食成分中不可消化碳水化合物的主要最终产物，其主链为 1 到 6 个碳，是研究最深入的细菌代谢物之一。结肠中SCFAs的比例受多种因素影响，包括肠道微生物组成、底物和宿主状态。占比最多的是丁酸盐、丙酸盐和醋酸盐。SCFAs的浓度随肠道长度而变化，盲肠和近端结肠最高，远端结肠降低。SCFAs作为信号分子，对宿主细胞，尤其是肠上皮细胞和免疫细胞具有独特的生理作用，可以影响结肠的生理，促进上皮屏障功能，塑造肠道环境。已证实，SCFA可作为组蛋白脱乙酰酶抑制剂（HDACI）用于肿瘤治疗，另外SCFA作为组蛋白脱乙酰酶抑制剂（HDACI）可减少脂多糖反应，抑制中性粒细胞活化，减少TNFα的释放，从而有助于抗炎作用。此外，SCFAs作为G蛋白偶联受体（GPCR）配体作用于宿主肠道内稳态。研究发现，SCFAs的特异性受体是GPR41/43和GPR109A，也称为游离脂肪酸受体3/2（FFAR3/2）和羟基羧酸受体2（HCAR2）。大多数SCFA可激活GPR41/43，主要表达在肠内分泌细胞、脂肪细胞、多形核细胞和巨噬细胞中。GPR43和GPR109A的激活激活了NLRP3和NLRP6炎性体，这些炎性体的缺乏导致结肠炎和肠道紊乱的加重。丁酸还可以加速上皮紧密连接的组装和AMPKA活性。

2) 吲哚及其衍生物
吲哚及其衍生物是芳香烃受体（AhR）的配体，最近被用来调节肠道粘膜中的宿主炎症和免疫。吲哚由膳食色氨酸通过细菌色氨酸酶产生，然后被宿主修饰以制备其衍生物。对HCT-8肠上皮细胞暴露于吲哚的实验表明，吲哚显著激活紧密连接蛋白TJP1、TJP3、TJAP1、缝隙连接蛋白GJE1、GJB3、GJB4、GJA8和参与产生粘蛋白MUC1、MUC17、MUC13、MUC20、MUC5AC、CDHR4的基因，表明上皮细胞的屏障特性和对病原体定植的抵抗力增强。此外，暴露于吲哚会增加促炎细胞因子IL1B、IL2、IL4、IL18、IL24、IFNLR1和趋化因子CCL25、CCL4、CCL16、CXCL3、XCL1、CX3CL1的表达，并激活典型的促炎性转录因子NF-kB。

3）多胺
多胺是一类具有强烈生物活性的多原子小分子碱，广泛存在于生物体内，主要含有精胺、亚精胺和腐胺。大多数多胺可直接从摄入的食物中获得，并在肠道上部被吸收，以运输到身体的各个方面以发挥功能，而大量多胺，尤其是腐胺和亚精胺，主要由肠道下部的肠道微生物产生。在几个小鼠模型中，多胺显示了调节葡萄糖、脂质和能量稳态的重要性。母乳多胺显著增强上皮内NK细胞、IEL和常驻免疫细胞的发育和维持，促进免疫系统的成熟。另一方面，多胺有助于DNA合成，但也有研究发现多胺浓度和基因表达起反作用，这可能是由DNA构象变化引起的。另外发现，接受外源性精胺的小鼠倾向于表现出更高的糖耐量和胰岛素敏感性。

图3 代谢物对上皮细胞和免疫细胞功能的影响

四、连接微生物与宿主基因表达的分子机制

1）转录因子：转录因子是与DNA结合并调节基因转录的宿主蛋白，微生物组的元素可直接与转录因子结合从而影响宿主基因的表达。例如，在斑马鱼中，微生物抑制肝细胞核因子（一种转录因子）从而阻止宿主炎症通路的调节导致炎症。

2）微生物影响宿主表观遗传修饰，如DNA甲基化或组蛋白乙酰化。例如无菌小鼠结肠的DNA甲基化水平更低，粪菌移植后增加。另外，短链脂肪酸（SCFAs）影响组蛋白乙酰化。

3）微生物能够重塑宿主肠道上皮细胞染色质。对结肠上皮细胞与微生物共培养模型进行ATAC-seq，结果表明特定微生物调节宿主组织中染色质的可及性和转录因子结合。

4）微生物影响宿主基因的可变剪切。例如，在控制了组织类型、炎症状态和诊断后，IBD 患者和健康对照组之间发生了 320 次肠道组织中的差异剪接事件。

图4 连接宿主基因表达与微生物的潜在分子机制

五、肠道微生物与疾病的关系

1. 肥胖
肥胖是指一种慢性代谢性疾病，表现为身体脂肪过度积累，尤其是甘油三酯，导致体重超重和脂肪层增厚。引起肥胖的因素众多，如遗传因素、环境变化、生活和饮食习惯等，其中肠道微生物的影响越来越受到人们的重视。在属的水平上，分枝杆菌属、粪杆菌属、拟杆菌属、副拟杆菌属、粪杆菌属、厌氧菌属、毛螺菌属等显著减少，而梭菌属、芽孢杆菌属、布劳氏菌属、肠球菌属、萨特氏菌属、克雷伯氏菌属、柯林氏菌属、普雷沃氏菌属和乳酸杆菌属显著增加。在种水平上，大肠杆菌、志贺氏菌、阴沟肠杆菌和再结晶乳杆菌显著增加、黏液阿克曼菌、念珠菌、酵母菌等显著减少。大量减少的微生物主要是参与SCFA和抗炎症产生的有益细菌。SCFA可以通过调节食欲和能量收获参与肥胖的监管。如前所述，SCFA分别通过偶联GPR43和GPR41促进GLP-1和PYY的分泌，这与较低的脂肪组织分布和葡萄糖稳态有关。类似地，丁酸盐给药可增强脂肪酸氧化和线粒体活性，增加胰岛素敏感性，减少肥胖。除此之外，吲哚多胺也可以类似地预防肥胖。

2. 炎症性肠病（IBD）

炎症性肠病炎症性肠病（IBD）是一种特发性肠道炎症性疾病，包括涉及回肠、直肠和结肠的溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）。临床表现为腹泻、腹痛甚至血便。UC是结肠粘膜层和粘膜下层的持续性炎症，而CD是一种非持续性全层炎症疾病，可累及整个消化道。大量证据表明，IBD患者肠道微生物发生了显著变化，这说明肠道微生物及其代谢物在IBD的发生和发展中起着不可估量的作用，最重要的是，产生SCFA的细菌的丰度数量减少，导致在生产SCFA，而丁酸盐可以抑制组蛋白去乙酰化酶3（HDAC3），从而增强T细胞中c-Myc的降解，减少Th17分化，减轻结肠炎。[图片上传失败...(image-752587-1692775296172)]

3. 2型糖尿病（T2D）

2型糖尿病（T2D）是指胰腺β细胞或白色脂肪组织的功能缺陷，导致胰岛素分泌不足或胰岛素抵抗增加，最终导致血糖升高。与肥胖相似，T2D也是一种肠道微生物相互作用的代谢性疾病。与健康人相比，T2D患者肠道微生物的组成存在显著差异，这反映在乳酸杆菌、瘤胃球菌、柯林斯菌的增加以及双歧杆菌、拟杆菌属、粪杆菌属、毛螺菌属和颤螺菌属的减少。T2D调节过程中，肠道微生物代谢产物对GLP-1的调节至关重要。一方面，GLP-1受SCFA、胆汁酸调节，不仅促进葡萄糖依赖性K-ATP通道释放胰岛素，还激活CAMP依赖性PKA信号通路，刺激胰岛素前体基因表达合成胰岛素；另一方面，它抑制胰腺α细胞释放胰高血糖素，并通过促进B细胞分化、增殖和抑制细胞凋亡途径增加B细胞。此外，3-吲哚丙酸通过增强肠道屏障完整性和降低炎症来改善胰岛素分泌，从而降低T2D风险。[图片上传失败...(image-87a446-1692775296172)]

4. 阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease (AD）)

阿尔茨海默病（AD）是一种进行性神经退行性疾病，起病隐匿，以综合性痴呆为特征，以记忆障碍开始。随着研究的深入，越来越多的证据表明，人类肠道微生物通过微生物-肠-脑轴调节大脑功能和行为。在对照实验中，AD患者的肠道微生物是失调的，这反映在厚壁菌、放线菌的减少和类杆菌、变形菌门水平的增加。类杆菌脆性多糖（Bacteroides fragilis lipopolysaccharide，LPS）导致不溶性富含Aβ42的肽沉积，这是AD的重要特征。它可能诱导促炎性转录因子NF-kB的表达，参与炎性神经变性，并激活小胶质细胞TLR2和TLR4。细菌产生的SCFA也可以通过抗神经炎症作用在预防和减少AD方面发挥重要作用。丁酸梭菌介导的丁酸盐抑制分化簇11b（CD11b）和环氧合酶-2（COX-2）的表达，抑制NF-kB-p65的磷酸化，并通过GM-肠-脑轴减少IL-1beta和TNF-α的产生，这可能有助于抑制神经炎症。[图片上传失败...(image-2b2d0e-1692775296172)]

5. 自身免疫疾病（Autoimmune diseases (ADs)）

Autoimmune diseases (ADs)即对自身抗体的免疫反应失调，导致慢性炎症。自身免疫疾病呈现全球范围的迅速增加，除了经典的如遗传多态性；感染和吸烟等环境因素也被越来越被重视。肠道微生物群有助于黏膜和全身免疫系统的成熟和激活。肠道微生物群的细菌组成改变（包括丰度和结构）与免疫反应失调之间的联系已经在很多疾病中被提及，基于测序分析揭示了患有肠外自身免疫疾病（ADs）如多发性硬化症（MS）、类风湿关节炎（RA）、1型糖尿病（T1D）和系统性红斑狼疮的病人的肠道微生物组成有明显的区别。肠道微生物群组成的改变也影响ADS的调节性免疫反应。Treg细胞在抑制自身反应性T细胞中起主要作用，将Treg细胞转移到ADS小鼠模型（包括MS、RA、T1D和 SLE）中可减轻疾病症状并延迟疾病发作。使用代谢组学和宏基因组方法表明：多发性硬化症患者肠道微生物群的改变可归因于Treg细胞的功能障碍。此外，发现MS患者的粪便和血清丙酸盐减少，而对MS患者和EAE小鼠补充丙酸盐改善了Treg细胞的抑制作用，并与临床症状的缓解呈现一致性。鸟枪法宏基因组分析表明，多发性硬化症患者肠道微生物群的SCFAs生物合成减少。最近的一项研究表明，接种SCFAs的NOD小鼠胰腺中Treg细胞的数量增加，从而抑制疾病发作。另外，与雄性NOD小鼠相比，雌性NOD小鼠的糖尿病发病率更高，这与雌性NOD小鼠中导管素相关抗菌肽（CRAMP）的低表达具有一致性。研究表明，CRAMP通过抑制巨噬细胞和树突状细胞中炎性细胞因子的诱导来保护胰腺β细胞。此外，丁酸盐通过在胰腺β细胞上表达的SCFA受体GPR41和GPR43诱导CRAMP的表达。在NOD小鼠中，通过给予抗生素消耗肠道细菌降低了胰腺中CRAMP的表达增加了T1D发生，表明T1D的发展与肠道微生物群密切相关。MyD88（Toll样受体信号衔接蛋白）缺失的NOD小鼠，在SPF条件下不发生T1D。与正常NOD小鼠相比，这些小鼠血液和粪便中的SCFAs浓度较高。

图5 疾病与微生物之间的关系（不含自身免疫疾病）

总结

大量证据证实，肠道微生物及其代谢产物可以增强肠道屏障功能，抑制促炎反应，促进抗炎反应。而不适当的饮食习惯、生活方式和错误的药物治疗或多或少会导致肠道微生物失衡，甚至导致疾病的发生或恶化。此外，通过改变肠道微生物的组成来治疗疾病，如益生菌，已经得到了广泛的研究和治疗。虽然肠道微生物研究取得了良好的进展，但仍有一些局限性需要解决，因此迫切需要深入研究和制定安全有效的相关标准。
参考文献

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