谨以此文献给中国医生：微生物组在人类疾病和健康中的作用（第二部分）
本文由Vincent B Young原创，江舜尧编译，并根据中国的语言习惯等稍作调整。由于全文太长，将分四次发布。
原文题目：The role of the microbiome in human health and disease: an introduction for clinicians
期刊：The BMJ
IF：20.785
发表时间：2017年
摘 要 对微生物组(microbiome)（包括微生物群及其栖息的宿主环境）的研究改变了临床医生对微生物在人类健康和疾病中的看法。也许最根本的改变是我们认识到，我们体内的大多数微生物都提供了至关重要的生态系统贡献，这有益于整个宿主-微生物系统。这些贡献包括重要资源的生产、营养的生物转化和对病原微生物的抵御。因此，疾病产生的原因可能是有益功能的丢失，或者入侵微生物导致的异常功能的引入。
本综述将阐述，对原籍微生物群（indigenous microbiota）的动力学和功能的了解如何改变了我们对微生物维持体内平衡并引起疾病的看法。将讨论微生物群的有益功能的破坏如何导致疾病。研究微生物群的方法将作为概念框架的一部分在此介绍，利用这些方法来描述健康状态下微生物的新作用。笔者将讨论微生物组和疾病的特异性变化之间的关键联系。这将引出一种阐释，即如何调节微生物群才能预防或治疗多种疾病，调节方法包括恢复缺失的功能和消除有害的功能。随着微生物组与健康和疾病的关系方面的研究的激增，本综述的目的是为临床医生提供一个基础，使大家能够跟踪这个发展中的生物医学研究领域。
1 简介
2 资源和选择标准
3 关于微生物在健康和疾病中的作用的不断演化的概念
4 什么是微生物组（microbiome）？
5 原籍微生物群的功能是什么？
以上5部分见：谨以此文献给中国医生：微生物组在人类疾病和健康中的作用（第一部分）
6 微生物组研究进展
6.1 结构及功能
有几种技术用于研究原籍微生物群(图3)的各个方面，而且有很多关于这些技术的综述。这些技术可以分为研究微生物群的结构(类似于解剖学)和功能(类似于生理学)的。“解剖学”提供了关于微生物群的结构的信息，而“生理学”提供的则是功能方面的。虽然功能有时可以通过结构预测，因为“解剖学”可以提供“生理学”的线索，但对“生理学”的真正评估需要对功能进行直接的检测。
图3 研究微生物群的结构和功能的方法。在最基本的层面上，这些研究方法可以简单地描述微生物的群落结构，即微生物的种类及其相对丰度。研究功能潜能的方法通常可以对微生物组或整个群落的个体成员的编码潜能进行分类 (即宏基因组)。为了直接评估功能，必须获得关于存在于微生物组环境中的被表达的微生物基因（即宏转录组）、翻译的蛋白质或合成的代谢物的目录。qPCR=定量聚合酶链式反应
许多技术都利用了人类基因组计划带来的高通量核酸测序技术的进步。因为有由美国国家卫生研究院资助的基因组中心的参与，所以，人类微生物组项目与先前研究和描述人类基因组的努力相呼应，这并非巧合。基于测序的技术(可以避免分离和培养微生物)对于理解原籍微生物在健康和疾病中的作用是非常宝贵的。然而，对微生物功能的全面评估和特定假说的验证需要其他技术。特别是微生物培养，这仍然是微生物研究手段的重要组成部分。靶向微生物群的未来治疗方案(见下文)可能会使用特定的微生物来代替某些缺失的微生物，而这只能通过微生物的分离培养来完成。因此，为了了解微生物在健康状态下所起的作用，我们需要知道有哪些微生物存在，以及它们在特定环境中可以进行哪些活动。下一节将讨论一些用于研究微生物组的常用技术，以及它们是如何被用于研究我们微生物群的结构和功能的。
6.2 微生物结构
有几种技术可以用来描述微生物群落的结构(图3)，也就是对特定群落中存在的微生物进行分类，并确定每种微生物的相对丰度。研究微生物种类的最常用的技术之一是分析16S rRNA基因(后面简称16S基因)序列。这种依赖序列的方法并不依赖于微生物的培养。DNA是从一份人们感兴趣的微生物群落样本中提取出来的，而聚合酶链反应(PCR)引物以广泛保守的16S基因为靶标，用来扩增存在的大部分细菌。这些PCR扩增子（即PCR扩增产物）被进行高通量DNA序列分析。
对16S基因数据的分析最终涉及将获得的序列分到独立的分类单元中。使用两种不同的方法来完成这一任务。首先，在一个给定的分析中，所有的DNA序列都进行相互比较，并将其分入操作分类单元(OTUs，见表1)，这通常是根据预先设定好的序列相似性的程度。尽管OTUs本身作为群落中特定微生物的替代品，无论是否可以指定一个正式的名称，每一个OTU都可以被分类为已知的细菌。另一种常用的方法是将每个16S扩增子序列单独考虑，并将其与一个设定好了的序列数据库进行比对，然后将实验中的每条序列都分类到一个预定的分类单元。这两种方法都有各自的优缺点，但总的来说，这两种方法对微生物群落结构的分析结果一致。也许最重要的结论是，人们可以通过16S基因序列分析来研究生物效应，而这些见解并不依赖于所使用的特定数据分析技术。
在人类健康方面，研究人员使用16S基因序列分析技术来比较研究有和没有特定疾病的人。此外，还可进行纵向分析，以监测治疗或疾病发展对微生物群结构的影响。然而，尽管这种分析是强有力的，并且对微生物在健康状态中的潜在作用提供了重要的观察，但它并没有直接评估微生物群的功能
人们开发出根据某一特定的微生物群落结构推断其潜在功能的方法，但与所有推论一样，这获得的往往是推断的而不是明确的功能。任何推断都需要有适当的说明。例如，如果16S基因序列分析表明与大肠杆菌相对应的OTU存在，那么这个结果需要考虑到，这可能代表了从益生菌，到良性的原籍大肠杆菌，再到致病性大肠杆菌O157:H7。16S基因使我们能够了解某特定的细菌在一个群落中的系统发育特性，但是它并不能提供基因组的其他基因所编码的功能的信息。
6.3 分析潜在的微生物功能
如上所述，获得一个特定细菌物种的完整基因组序列可以提供一种已知细菌的潜在功能。以类似的方式，宏基因序列分析已经被用于对整个微生物群落的潜在功能进行评估。从微生物群落DNA开始，这点就像16S基因序列分析。然后，对整个微生物群落的总DNA序列进行高通量测序，而不是使用PCR来放大特殊的系统发育标记（如16S基因）。这就提供了微生物群落中所有基因组的目录。对微生物群落的宏基因组或其中特定成员的基因组的研究都可以深入了解这个群落的潜在功能。微生物群落所展示的特定代谢途径的相对丰度可以帮助预测该群落的功能。然而，这只是一个潜在的目录。下一节将讨论能直接确定某一微生物组的实际功能的方法。
6.4 原位微生物功能测定
最后一组用于研究微生物组的分析技术直接检测了功能。利用基于测序的技术，宏转录组学分析展示那部分在特定条件及特定时间点被表达的宏基因组。该技术通过逆转录酶介导RNA测序，通过对所有表达基因的序列进行分析，获得微生物组中存在的RNA转录本。当这些数据与相应的宏基因组一起考虑时，宏转录组在给定的时间点提供了功能活性基因的快照。另外两种技术经常被用来直接确定转录活动对微生物组代谢环境的影响。最后的两种技术，即蛋白质组和代谢组分析，利用先进的质谱技术检测一个给定的微生物组中蛋白质和代谢物(包括缩氨酸、低聚糖和脂质)的相对丰度。这通常包括那些由宿主产生而且被微生物群的一部分微生物共代谢的代谢物，因此这是一种真正的测量给定的微生物组中代谢环境的检测方法。
7 微生物组研究的概念框架
人类微生物组项目的最初活动以及十年前开始的其他工作都集中在建立这么一个标准，即人类体内及体表正常的微生物群落是什么样的。人们希望通过定义什么是正常的微生物群，可以辨别出这种正常与疾病状态之间的差异。
这些初步的研究发现，在没有明显临床疾病的人群中发现的微生物群有很大的变化。这在一定程度上可能是这些最初研究所用的方法的产物。大部分的工作都使用核酸测序，重点是16S基因序列分析，以及有限的宏基因组分析。这些研究中所遇到的变化反映了我们对微生物群落结构与功能之间的关系的理解。很明显，由16S分析而来的多个微生物群落具有类似的功能。
除了定义微生物群的正常状态外，其他研究也在寻找微生物组的结构及功能与疾病状态之间的联系。持续至今的最初的工作，一直在寻求微生物群与健康及疾病之间的联系。大多数关于微生物群落的结构的研究是通过基于16S分析来完成的。重要的是，大部分的工作都是关注关联性而非因果关系。下面将更详细地讨论肠道菌群在炎症性肠病(IBD)的发病机制中所扮演的角色。早期的研究对患者和正常人进行了横向比较。IBD患者和正常对照两组人群的微生物群存在差异，但不清楚这是疾病出现的因还是果。随后的研究试图在最初确认疾病时建立联系，但这些研究仍不能直接进行调查。
最近，有研究表明，在出现明显的疾病之前，微生物群的特征是很明显的。两项研究招募了患某种特定疾病的高危人群(IBD和I型糖尿病)，并对他们的微生物群进行了纵向跟踪，并将后来患病与否的志愿者的微生物群进行了比较。其他研究也观察了特定治疗对特定疾病的微生物群的影响，再次尝试研究微生物群在疾病的发病机理中所起作用。
最后，对于有足够的动物模型的疾病，已经尝试对潜在的因果关系进行研究。在这里，笔者将简单介绍一些关于微生物组与健康及疾病之间的联系的研究策略的例子。这些例子并不是全面的，而是为读者提供一个概念性的框架来理解和评估他们在未来所遇到的研究。
8 与微生物组相关的疾病
8.1 传染病
8.2 炎症性肠病
8.3 肥胖和代谢性疾病
8.4 肺部疾病
9 新疗法：微生物组作为治疗靶点
9.1 抗生素
9.2 益生菌和其他微生物生物疗法
9.3 益生元和饮疗
9.4 微生物修复
9.5 治疗的未来：精确的微生物治疗?
10 总结
以上缩列部分将在另外两次陆续编译。