人体微生物组学导论 / Introduction to Human Microbiome Research

17世纪荷兰商人安东尼·范·列文虎克用自制的单式显微镜首次观察到污水中的“微动物”，开启了人类对微生物世界的认知大门，但此后近400年间，微生物始终被主流科学界视为致病、腐败的元凶，直到20世纪末，科学家才逐渐意识到：人体并非独立的生命体，而是与万亿级微生物共生共存的“超级生物体”。这一认知范式的颠覆性转变，正是人体微生物组学（Human Microbiome Research）诞生的核心背景。作为本书的开篇章节，本章将系统梳理微生物组学的发展脉络、核心研究范式与关键概念，明确肠道菌群、皮肤微生物、病毒组三大核心领域的功能定位，并提供中英双语术语对照与阅读指南，帮助高级读者快速搭建本领域的知识框架，为后续章节的深入学习奠定基础。

1.1 微生物组认知的范式转变：从“病原体”到“共生伙伴”

人类对微生物的认知经历了三次核心范式转变。第一次是19世纪巴斯德（Louis Pasteur）和科赫（Robert Koch）建立的“病原微生物学说”，确立了微生物导致疾病的逻辑，推动了抗生素、疫苗的发明，挽救了数亿人的生命，但也导致“微生物=致病”的刻板印象持续了近一个世纪。第二次转变发生在20世纪中后期，科学家发现人体多个部位（肠道、皮肤、口腔、阴道等）存在大量稳定定植的微生物，且并非所有微生物都会致病：1945年，科学家首次发现无菌动物的肠道发育、免疫系统成熟存在显著缺陷，证明微生物对宿主的正常生理功能至关重要；1970年代，科学家发现肠道菌群可以发酵膳食纤维产生短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid, SCFA），为宿主提供能量和免疫调控信号，开启了共生微生物功能研究的先河。

第三次范式转变的标志是2001年诺贝尔奖得主、遗传学家 Joshua Lederberg 正式提出“微生物组（Microbiome）”概念，将其定义为“微生物群落及其遗传物质、功能活动与宿主形成的共生生态系统”，突破了“微生物是独立个体”的认知，将微生物组视为人体不可分割的“虚拟器官”。此后，2007年美国国立卫生研究院（NIH）正式启动人类微生物组计划（Human Microbiome Project, HMP），总预算1.7亿美元，目标是绘制健康人体不同部位的微生物组参考图谱，明确微生物组与健康和疾病的关系¹。2012年HMP发布初步成果，发现健康人肠道定植有1000-1150种细菌、皮肤定植有1000多种微生物、口腔定植有700多种，不同个体的微生物组成差异可达80%以上，但核心功能通路高度保守。2014年NIH启动整合人类微生物组计划（Integrated Human Microbiome Project, iHMP），首次将微生物组数据与宿主基因组、转录组、代谢组、临床表型数据整合分析，发现了微生物组与100多种疾病的显著关联，推动了微生物组研究从描述性科学向机制解析和临床转化迈进。

<!-- 纸书页码：5 --> <!-- 电子版侧边栏：💡 扩展阅读：HMP核心成果可参考2007年《自然》发表的HMP白皮书，链接：[https://www.nature.com/articles/nature06244](https://www.nature.com/articles/nature06244) -->

近年来的研究进一步修正了早期对微生物组数量的认知：早期研究认为人体微生物细胞数量与宿主细胞数量比为1:1，但2016年Sender等人在《PLOS Biology》发表的研究修正了这一数据：健康成年人体内微生物细胞总数约为$3.8 \times 10^{13}$，宿主细胞总数约为$3.0 \times 10^{13}$，微生物与宿主细胞的比例约为1.3:1²；若按基因数量计算，微生物组的总基因数量是宿主基因组的150倍以上，编码了宿主自身不具备的代谢通路和功能，是人体遗传多样性的重要补充。

1.2 微生物组学的核心概念与关键定义

微生物组学作为一门交叉学科，涉及微生物学、基因组学、免疫学、代谢组学、临床医学等多个领域，明确核心概念是开展研究的基础。目前领域内普遍认可的核心定义包括： 1. 微生物组（Microbiome）：特定生境（如肠道、皮肤、口腔）中所有微生物（包括细菌、古菌、真菌、病毒）的遗传物质、代谢产物、功能活动与宿主互作的统称，是“群落-遗传-功能-宿主互作”的完整生态系统。 2. 微生物群（Microbiota）：仅

仅指特定生境中所有可培养或不可培养的微生物个体的总和，不包含其遗传物质和功能活动；3. 菌株（Strain）：同一物种下遗传特征、功能表型存在差异的亚类群，例如同为大肠杆菌（*Escherichia coli*）的益生菌株Nissle 1917可用于治疗炎症性肠病，而致病菌株O157:H7则会导致出血性腹泻，同一物种不同菌株的功能差异可达90%以上，是精准微生物组调控的核心靶点；4. 核心菌群（Core Microbiome）：在特定生境中90%以上健康个体共有的微生物类群，例如健康人肠道中的核心菌群包括*Faecalibacterium prausnitzii*、*Bacteroides thetaiotaomicron*等20余个菌属，其功能通路（如膳食纤维发酵、胆汁酸代谢）高度保守，而外周菌群则在不同个体间差异显著，与宿主遗传背景、饮食习惯、环境暴露密切相关；5. 可操作分类单元（Operational Taxonomic Unit, OTU）：16S rRNA测序中基于序列相似度（通常为97%）划分的物种近似单元，是早期微生物组组成分析的核心指标，2015年后逐渐被扩增子序列变体（Amplicon Sequence Variant, ASV）替代，后者基于单核苷酸多态性划分，分辨率可达菌株水平，避免了OTU合并不同菌株导致的精度损失³；6. α多样性（Alpha Diversity）：特定生境内微生物的物种丰富度和均匀度，常用香农指数（Shannon Index）、辛普森指数（Simpson Index）衡量，健康人肠道α多样性（香农指数）平均为3.5-4.5，而炎症性肠病（IBD）、糖尿病等疾病患者的α多样性显著降低，通常低于3.0，是评估菌群稳态的核心指标，其计算公式为：

$$\ H' = -\sum_{i=1}^{S} p_i \ln p_i $$

其中$H'$为香农多样性指数，$S$为物种总数，$p_i$为第$i$个物种的相对丰度；7. β多样性（Beta Diversity）：不同生境或不同个体间微生物组成的差异程度，常用Bray-Curtis距离、Jaccard距离衡量，可用于分析宿主遗传、饮食、疾病等因素对菌群组成的影响；8. 宏基因组（Metagenomics）：不依赖培养，直接对特定生境中所有微生物的总DNA进行测序和分析的技术，可同时获得微生物的物种组成、功能基因、代谢通路信息，是当前微生物组功能研究的金标准；9. 菌群失调（Dysbiosis）：微生物组的组成、功能、互作关系偏离健康稳态的状态，常表现为核心菌群丰度降低、致病菌过度增殖、功能通路异常，是多种疾病的共同特征，但需注意菌群失调与疾病的因果关系尚未完全明确，部分菌群改变可能是疾病的结果而非原因；10. 菌-肠-脑轴（Microbiota-Gut-Brain Axis, MGBA）：肠道菌群通过神经、免疫、内分泌通路与中枢神经系统互作的调控网络，是当前微生物组研究的前沿热点，已有临床研究证实肠道菌群调控可以改善抑郁症、自闭症、帕金森病的症状。

<!-- 纸书页码：7 --> <!-- 电子版侧边栏：⚠️ 常见误区：OTU与ASV的核心差异是分辨率，ASV可区分序列差异1个碱基的菌株，而OTU仅能区分97%序列相似度的类群，当前高端研究已普遍采用ASV作为物种注释的标准指标 -->

上述核心概念构成了微生物组学研究的理论基础，其关联关系可通过图1-1的研究范式流程清晰呈现：

```mermaid graph LR A[样本采集] --> B[DNA/RNA提取] B --> C[测序技术选择] C --> D[16S/ITS扩增子测序] C --> E[宏基因组测序] C --> F[宏转录组/宏代谢组测序] D --> G[物种注释与多样性分析] E --> H[物种注释与功能注释] F --> I[功能活性与代谢通路分析] G --> J[生物信息学整合分析] H --> J I --> J J --> K[机制验证与临床转化] ```

图1-1 微生物组学研究的核心范式流程

1.3 三大核心研究领域的基本范畴与功能定位

人体微生物组按定植部位可分为肠道、皮肤、口腔、呼吸道、泌尿生殖道等多个类群，其中肠道菌群、皮肤微生物、病毒组是当前研究最深入、与人类健康关联最密切的三大核心领域，三者的总质量约占人体总微生物质量的98%以上，构成了人体微生态的核心框架。

1.3.1 肠道菌群（Gut Microbiota）

肠道菌群是定植于人体胃肠道内的所有微生物的总和，占人体总微生物质量的70%-80%，总重量约1-2kg，包含细菌、古菌、真菌、原生动物、病毒等多个类群，其中细菌是绝对优势类群，拟杆菌门（*Bacteroidetes*）、厚壁菌门（*Firmicutes*）、放线菌门（*Actinobacteria*）、变形菌门（*Proteobacteria*）是最主要的四个门类，占肠道菌群总量的90%以上。

肠道菌群的核心功能可归纳为四大类：第一是代谢功能，发酵宿主无法消化的膳食纤维、抗性淀粉产生短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid, SCFA），包括乙酸、丙酸、丁酸，为结肠上皮细胞提供能量，调节脂质代谢、糖代谢，维持肠道屏障完整性，其中丁酸是结肠上皮细胞的首选能量来源，可促进肠道屏障紧密连接蛋白的表达，降低肠道通透性；第二是免疫调控功能，肠道菌群可以诱导调节性T细胞（Treg）的分化，维持免疫耐受，防止过度免疫反应，是机体免疫系统发育成熟的核心驱动因素，无菌动物的免疫系统发育严重缺陷，易发生自身免疫病、过敏性疾病；第三是屏障保护功能，肠道菌群通过竞争性排斥、分泌抗菌肽等方式抑制致病菌的定植，防止肠道感染；第四是神经调控功能，通过菌-肠-脑轴调控宿主情绪、认知、睡眠等神经功能。

肠道菌群的临床转化研究已取得突破性进展：2013年《新英格兰医学杂志》发表的随机对照试验证实，粪菌移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）对于复发性艰难梭菌感染（Recurrent *Clostridium difficile* Infection, rCDI）的治愈率达到92.7%，显著高于万古霉素治疗的治愈率（42.1%）⁴，

FMT的临床价值已从rCDI拓展至多种代谢、免疫、神经疾病领域：2012年荷兰学者Vrieze等人在《科学》杂志发表的随机对照试验显示，将瘦型供体的肠道菌群移植给代谢综合征患者，6周后患者的胰岛素敏感性较对照组提升了21%，空腹血糖水平下降了15%，且效果在移植后3个月仍持续存在，证明菌群调控可改善宿主代谢表型⁵。目前FMT已被纳入《中国炎症性肠病诊断与治疗指南（2023版）》《美国胃肠病学院溃疡性结肠炎治疗指南》等多项临床规范，除rCDI外，还在溃疡性结肠炎、肥胖、自闭症谱系障碍等领域开展III期临床试验。2022年美国FDA批准全球首款标准化粪菌制剂Rebyota上市，标志着微生物组临床转化从“经验性治疗”进入“标准化产品”时代；中国也于2023年建成首个国家级的标准化粪菌库，制定了供体筛选、菌群制备、质量控制的行业标准，目前已有3款粪菌制剂进入III期临床试验，用于治疗溃疡性结肠炎和2型糖尿病。

<!-- 纸书页码：9 --> <!-- 电子版侧边栏：💡 临床提示：FMT的供体筛选标准包括无传染病史、无代谢疾病/恶性肿瘤史、近期未使用抗生素、肠道菌群α多样性处于健康人群前20%等，供体筛选成本约占总制备成本的60% -->

1.3.2 皮肤微生物（Skin Microbiome）

皮肤是人体最大的器官，表面积约1.5-2㎡，总重量约占体重的16%，其表面定植的微生物总量约为$10^{10}-10^{12}$ CFU（菌落形成单位），总质量约200-400g，是仅次于肠道菌群的第二大微生物定植生境。由于皮肤不同部位的微环境（湿度、pH、皮脂分泌量、温度）差异极大，其微生物组成呈现显著的空间异质性：皮脂分泌丰富的额部、背部以痤疮丙酸杆菌（*Cutibacterium acnes*）为绝对优势菌，丰度可达70%以上；湿润的腋窝、腹股沟以棒状杆菌（*Corynebacterium*）、凝固酶阴性葡萄球菌（*Coagulase-Negative Staphylococcus*, CoNS）为优势菌；干燥的前臂掌侧则以丙酸杆菌、棒状杆菌的混合群落为主，不同部位的微生物组成差异可达90%以上，是人体微生物组中空间异质性最高的生境。

皮肤微生物的核心功能可归纳为三类：第一是屏障保护功能，共生菌可通过竞争性排斥、分泌抗菌肽等方式抑制致病菌定植：2017年《科学》杂志发表的研究证实，表皮葡萄球菌（*Staphylococcus epidermidis*）分泌的酚溶性调节蛋白（Phenol-Soluble Modulins, PSM）可特异性抑制耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的生物膜形成，将MRSA的定植率降低90%以上；同时共生菌可分解皮脂产生游离脂肪酸，维持皮肤表面4.5-5.5的酸性pH，进一步抑制致病菌生长。第二是免疫调控功能，皮肤共生菌可诱导皮肤局部调节性T细胞（Treg）的分化，维持皮肤免疫稳态：2019年《自然·医学》的研究发现，特应性皮炎（Atopic Dermatitis, AD）患者的皮肤微生物多样性较健康人降低40%，*Staphylococcus aureus*的丰度从健康人的5%以下上升至60%以上，其分泌的毒素可诱导皮肤炎症，破坏皮肤屏障；局部应用共生菌*Staphylococcus hominis*可显著抑制*S. aureus*的定植，改善AD患者的瘙痒和炎症症状，目前该疗法已进入III期临床试验。第三是代谢功能，皮肤微生物可分解皮脂、汗液中的有机物产生气味分子，同时参与维生素D、维生素B族的合成，为皮肤细胞提供营养。

皮肤微生物组的临床转化已在护肤、皮肤病治疗领域取得突破：2021年日本资生堂研发的含益生元（α-葡聚糖寡糖）的护肤品，通过促进皮肤共生丙酸杆菌的生长，使受试者的皮肤屏障功能（经皮水分流失率）降低32%，皮肤敏感度降低27%，是全球首款基于微生物组原理获批的护肤品；2023年《新英格兰医学杂志》发表的临床试验证实，局部应用噬菌体 cocktail 治疗MRSA引起的皮肤感染，治愈率达到85%，显著高于莫匹罗星的62%，为耐药菌感染的皮肤治疗提供了新方案。

1.3.3 病毒组（Virome）

病毒组是定植于人体各部位的所有病毒的总和，包括感染细菌的噬菌体、感染人体细胞的动物病毒、整合在宿主基因组中的内源性逆转录病毒等，总数量约为$10^{15}$个，占人体总病毒数量的99%以上，是人体微生物组中数量最大的类群。由于病毒没有保守的核糖体RNA序列，传统16S rRNA测序无法对其检测，宏病毒组（Metavirome）测序是当前病毒组研究的核心技术，但受限于参考数据库的不足，目前仅有不到10%的人体病毒组序列可被注释到已知物种，超过90%的病毒属于未分类的“病毒暗物质”。

病毒组的核心功能可归纳为三类：第一是细菌群落调控功能，噬菌体可通过裂解细菌、水平基因转导、调控细菌毒力基因表达等方式，直接调控肠道、皮肤等部位的细菌群落结构和功能：2020年《细胞》杂志发表的研究发现，健康人肠道中T4样噬菌体主要裂解产丁酸的*Faecalibacterium prausnitzii*等有益菌，维持菌群的功能平衡；而炎症性肠病（IBD）患者中这类噬菌体的丰度较健康人升高3倍，导致丁酸产生菌大量减少，肠道炎症加重，补充特异性噬菌体可恢复菌群平衡，缓解IBD症状。第二是宿主免疫调控功能，内源性逆转录病毒（Endogenous Retrovirus, ERV）的序列占人类基因组的5%-8%，其编码的蛋白可参与胚胎发育、免疫耐受调控：2021年《自然·免疫学》的研究发现，ERV编码的包膜蛋白可调控胎盘的形成，同时可诱导肠道固有层调节性T细胞的分化，维持肠道免疫稳态。第三是病原体功能，部分病毒可作为病原体导致人类疾病，如诺如病毒、轮状病毒可导致急性胃肠炎，人乳头瘤病毒（HPV）可导致宫颈癌、口咽癌，乙型肝炎病毒（HBV）可导致肝硬化、肝癌，是当前公共卫生领域的重点防控对象。

病毒组研究的前沿方向包括噬菌体疗法、病毒组作为疾病标志物等：2022年《科学·转化医学》的研究发现，肠道噬菌组的组成与结直肠癌的发生显著相关，特定噬菌体（如*CrAssphage*的多个亚型）的丰度在结直肠癌患者中较健康人升高5倍以上，作为早期诊断标志物的AUC（曲线下面积）达到0.87，显著高于传统粪便隐血试验的0.62，为结直肠癌的无创早筛提供了新的靶点。

```mermaid graph TD A[人体微生物组] --> B[肠道菌群（70-80%总质量，核心代谢/免疫器官）] A --> C[皮肤微生物（15-20%总质量，屏障/免疫调控）] A --> D[病毒组（90%以上病毒类群，细菌/宿主调控）] B <-->|菌-肠-脑轴调控| E[中枢神经系统] B <-->|免疫信号互作| F[免疫系统] C <-->|局部免疫互作| F D <-->|噬菌体裂解/基因转导| B D <-->|内源性逆转录病毒调控| G[宿主基因组] B <-->|代谢产物互作| C ```

图1-2 人体三大核心微生物组的互作关系

<!-- 纸书页码：11 --> <!-- 电子版侧边栏：⚠️ 研究提示：病毒组测序的难点在于参考数据库的碎片化，目前IMGV（国际微生物组病毒基因组数据库）已收录超过100万个病毒基因组，但仍仅覆盖不到10%的人体病毒组序列，开发高质量的病毒组参考数据库是当前的研究热点 -->

1.4 微生物组研究的关键技术范式演进

微生物组研究的发展史本质上是技术方法的演进史，从早期的纯培养技术到现在的多组学整合技术，每一次技术突破都推动了领域范式的转变。当前微生物组研究的核心技术范式可分为四个阶段，各阶段的技术特点、优势与局限性对比如表1-1所示：

| 技术阶段 | 核心技术 | 分辨率 | 核心优势 | 主要局限性 | |---------|---------|--------|---------|-----------| | 纯培养阶段（19世纪-20世纪70年代）