揭秘人類腸道微生物組的進化演變奧秘

人類微生物組的進化

The human microbiome in evolution

導讀

腸道微生物在人類生物學和疾病中起著重要的作用。雖然研究者已經做了很多工作來探索其多樣性，但是要對我們的微生物組有一個充分的理解，需要從進化的角度出發。在這篇綜述中，我們將人類微生物組置於人類近緣和遠緣動物的微生物背景下，討論產生宿主特異性微生物組配置的潛在機制以及破壞這些配置的後果。最後，我們提出了一個人類腸道微生物更廣泛的系統發育視角，這有利於理解人類-微生物組相互作用的機制。

「生命之樹」的一個可視化版本」，點擊可放大 圖片來源：Leonard Eisenberg

進化背景下的微生物組

我們正處於理解人類微生物組的變革之中。十年前，很少有人知道人體不同部位的微生物有哪些，它們是如何聚集到不同複雜層次的部位，以及它們與其他物種中的微生物組是如何關聯的。近些年來，DNA採集和序列數據分析方面的技術進步使這些問題便於理解。令人吃驚的是，微生物組的各個方面與人類的很多疾病相關，一些以微生物為中心的干預措施在特殊疾病的治療上有非常明顯的治療效果，如複發性艱難梭菌感染。更廣泛地說，這些數據使得越來越多的人關注微生物與生物學基礎元素以及生態學之間的關聯。鑒於人們迫切想把人類微生物的知識應用到醫學、法醫等領域，微生物測序數據的實際應用變得越來越重要，但是，正如在生物學的許多其他領域一樣，對這些模式和過程的真正理解需要進化的觀點。

我們將重點放在腸道微生物組上(因為對於人群或其他物種的其他身體部位，只有極少的比較數據可用)。我們將人類腸道微生物組置於不同飲食、生活方式和環境暴露的不同現代人群的進化背景之中，並將哺乳動物腸道微生物群體的進化模式聯繫起來，以解決幾個關鍵問題：人類微生物組與我們的進化祖先相比是怎樣的？這些模式是否與微生物組伴隨宿主共同進化的假設一致？如果是這樣，在微生物組中進化的是什麼，如何進化的，是否對人類健康有影響？

為了解決這些問題，我們首先描述了人類腸道微生物及其內容。然後，我們將這些信息放在我們近緣屬（靈長類動物）、遠緣屬（其他哺乳動物）的背景中。然後我們討論修改特異性微生物組以及一些機制的後果。最後，我們指出了微生物組學研究的方向：更好地考慮宿主、微生物和它們的共生關係的進化特性，從而改善我們對微生物的潛在生物學以及它對人類、動物健康實踐應用的認識。

人類微生物組的全球多樣性

人體消化道由三個器官組成，即胃，小腸和大腸，但大多數人類微生物組的研究集中在通過糞便解析大腸微生物組上。大腸微生物組擁有人體器官內或表面最大的微生物生物量。與小腸中的108個細胞相比，每毫升大腸內容納大約1011個微生物細胞。

放大到單個個體的微生物組，通過細胞培養和細胞分離技術，預估每個人的腸道中有150到400個菌種。通常，這些菌種大部分屬於擬桿菌屬、厚壁菌門、放線菌門和變形菌門。每個菌種的相對比例在個體之間，甚至在一個人的生命過程中都有很大的差異。儘管每個人的微生物都是獨特的，但是當我們檢查全球人群的微生物時，出現了一些趨勢（圖1a）。我們所了解的微生物組大部分來自高度工業化和發達國家（「西化」）的人群，包括醫學微生物組研究和微生物組調查，如美國的人類微生物組計劃和歐洲的MetaHIT。然而，西方的微生物組從成型至今與非西方的微生物組有所不同。

首先，西方人微生物組比非西方人微生物組的菌種類別少15%至30％。一種觀點是「消失的微生物」假說，認為工業化的技術和文化的變化導致「微生物消失」。評估這個假設的一個方法是研究古生菌DNA。

其次，西方人微生物組缺乏非西方人微生物組中始終存在的某些特定菌種，最突出的例子是密螺旋體菌屬，這種細菌出現在許多非西方人口的糞便中,這些非西方人和西方人有不同的生活方式，包括打獵、採集、農耕等。

最後，在西方人和非西方人的微生物組間，常見菌種門類的相對丰度會變化。西方人微生物組通常含有大量的擬桿菌屬，而非西方人微生物組通常含有大量的厚壁菌和變形菌。總之，這些研究指出：沒有單一的"人類微生物組",而是一個我們共生微生物組所假設的一個更廣泛的一個配置。

鑒於這一觀察，出現了兩個關鍵問題。首先，為什麼兩個群體之間存在這些差異？一個解釋指向文化和環境因素。在不同文化和環境之間下，飲食明顯不同。一般來說，在非西方人飲食中，纖維含量高，糖、脂肪、肉類較少，這些因素促進了腸道微生物的丰度的增加。而在西方人飲食中，衛生和藥物方面的差異可能會對腸道微生物的丰度造成影響，包括接觸動物和其他膿毒性的環境、過度使用抗生素等。另一方面，部分微生物可能隨著人類在全球範圍內的擴張而分化開來。例如，幽門螺桿菌的現代分布與已知的人類遷徙是相一致的。

第二個問題是：人群之間的這些差異是否重要？食物的種類以及我們生活環境的差異是否大於我們的預期，比較人類的微生物組與近緣的進化親屬（非人類的靈長類動物）對於回答這個問題是非常有用的。

與人類祖先的腸道微生物組最接近：非人類的靈長類動物

儘管有進化的相關性，但很少有研究系統地比較人類和非人類的靈長類動物的腸道微生物。直接比較靈長類動物和人類的微生物組，可以深入了解在整個進化過程中，哪些因素影響了我們的微生物組。現有的數據表明，與我們最近的有共同祖先的非洲猿類相比，人類有較低的腸道微生物組多樣性、擬桿菌相對丰度增加、甲烷桿菌和纖維細菌的相對丰度減少。許多這些特性都與在其他哺乳動物食肉性相關聯，這表明人類朝向食肉性的轉移過程中伴隨著腸道微生物的改變。與大猩猩相比,人類腸道微生物組成似乎與祖先的有所不同。人類進化的歷史和微生物組的變化是潛在相關的，其中包括熟食、農耕的出現、以及生理的變化。

圖1群體和進化背景下的腸道微生物分布。（a）不同人群的微生物組是彼此不同的，特別是在美國的工業化人口和像馬拉維人(Malawians)或亞馬遜的瓜希沃人(Guahibo)、亞諾瑪米人(Yanomami)等偏遠非工業化人口之間。（b）在更大的靈長類譜系背景下，人類個體之間差異變得更小，並且可以看到人類與非人類靈長類動物的圈養群體之間的聯繫。（c）放大到包括其他脊椎動物譜系，這種差異被進一步縮小，因為宿主物種和生活方式特徵之間的深層進化差異對腸道菌群的影響變得明顯。

人類菌群的差異與其他非人類靈長類動物類似（見圖1b）。人類群體間的差異通常歸因於飲食。類似地，非人類靈長類動物的腸道微生物組的變化是為了響應宿主棲息地和季節的變化，這種影響很容易關聯到飲食空間和時間的變化，反映了宿主的系統發育關係，即所謂的系統共生，人類微生物組也表現出系統共生的特點。在靈長類動物中，人類微生物組成與猴子和猿最為相似，與其他靈長類動物和狐猴的腸道微生物有所不同（圖 1b）。儘管如此，對非人類靈長類群體進行更廣泛的抽樣將有助於確定人類微生物組的變化範圍是否與非人類靈長類動物的變化範圍相似，以及系統共生的模式是否真的對宿主環境有不同的抵抗力。這些數據將提供如下的視角：人類生理和環境的特徵是否導致了特定的腸道微生物組特徵，以及非人類靈長類動物是否是一個理解飲食轉化及其對人類進化歷史上微生物組影響的模型。

在這個意義上，對圈養的靈長類動物進行人為飲食控制的研究，有益於理解人類的飲食轉變。包括我們自己在內的幾項研究發現，與野生對照組相比，圈養的靈長類動物的飲食多樣性較低，纖維含量較低。這反映了在人類進化過程中逐漸過渡到低纖維飲食的過程，以及現代西方人和非西方人飲食的鮮明對比。一項研究報告顯示，低纖維的食物被提供給吼猴和白臀葉猴，結果導致腸道微生物群落的人性化，其特徵是微生物多樣性的喪失。

然而，即使在低纖維飲食的情況下，相對西方人微生物，吼猴和白臀葉猴的微生物組更類似於非西方人微生物組，這表明在考慮特定的微生物分類時，在人類和非人類靈長類動物之間的宿主飲食和腸道菌群的關係是不同的。我們研究比較了在高纖維飲食和低纖維飲食情況下人與長尾黑顎猴的腸道微生物組，結果相似。低纖維飲食的圈養動物中擬桿菌屬相對丰度較低，而普氏菌屬相對丰度較高。這些數據表明密切相關的微生物分類群可能已經進化為編碼人和非人類靈長類動物微不同代謝功能的微生物。鑒於靈長類動物微生物組之間的整體相似性,針對這些相關但對比鮮明的譜系進行更詳細的基因組和功能鑒定，為理解人類菌群的整體功能,以及其組成成份的進化是如何影響人類健康提供了獨特的機會。

遠緣祖先背景下的人類腸道微生物組:哺乳動物

靈長類動物微生物組組間飲食和系統發育之間的聯繫,顯示了脊椎動物腸道微生物群落多樣性的更大模式,這通過觀察在哺乳動物中飲食轉變和微生物的變化來證明（圖 1c）。過渡到草食性似乎對微生物組的影響特別大。獨立進化成草食性宿主的哺乳動物，其微生物組相似。另外，丰度不同的草食性和肉食性微生物之間的一些相同基因和代謝通路也在人類從素食轉變為雜食飲食的相應的方向上迅速轉變。有趣的是，食蟲也與哺乳動物微生物群落某種程度的趨同有關。

主要飲食的轉變不可避免地與許多其他生理變化相關，無論是與飲食本身有關還是與飲食本身無關，僅僅是因為系統發生的非獨立性造成的。因此，將這些變化解釋為飲食結構化了微生物的證據可能過於簡單化。許多哺乳動物的腸道微生物組,與通常的飲食趨同模式相反。熊貓雖然是食草動物,但它們的腸道微生物與它們的食肉性和雜食性家族相似,在功能基因和生態動力學方面與其他食草動物差別很大。

我們的研究表明，鬚鯨儘管完全是動物飲食，但宿主的微生物分類和功能基因與前腸發酵的食草動物（如反芻動物的復胃）有相似之處。蝙蝠已經進化出許多種飲食的種類，包括食肉、食血、食蟲等，調查揭示了飲食和微生物組的相互衝突的模式（圖2c）。在物種內部，飲食對微生物組的影響可以獨立於其他因素進行評估。在比較分析中，這些影響必須在腸道形態學的改變背景下理解。值得注意的是，鯨魚和熊貓都保留了與它們的近親相似的腸道形態，它們反映了微生物組的相似性。因此，飲食、系統發育和微生物組之間的關係並不總是簡單的。

圖2宿主-微生物組的相互作用可以影響健康。微生態失衡和許多不良的健康結果有關，包括肥胖，哮喘和某些癌症。然而，不良健康結果並不足以證明微生物組和宿主的協同進化。微生物組可能會影響生命多個階段宿主的健康，通過生殖年限或降低繁殖力來影響微生物的生存。在嬰兒期,微生物從不可消化的牛奶成份中提取能量，增加養分的獲取。在童年期間，一個穩定的微生物組織可以防止致命病原體的侵襲。在成年期,微生物組可能通過改變營養或引起疾病來影響繁殖力。最後，微生物組可能對壽命很重要。

改變物種特異性微生物的後果

在群落相似性和單個微生物譜系層面上，哺乳動物腸道微生物清楚地顯示了哺乳動物進化史的印跡。這些關係會導致什麼樣的結果？什麼時候會影響健康結果，以及這些結果何時與進化適應性有關（圖2）？「微生物」是進化的嗎？（圖3）

圖3微生物組同時多樣化（進化）後果的非適應性模型。第一步：宿主譜系進化為允許腸道微生物存在但需要過濾的過濾器，允許不同的微生物在腸道中定殖。第二步：微生物的一個子集(黑色輪廓)特異化為宿主的譜系。由於宿主基因產生了特定的生態位漂移，特殊的微生物也隨之產生。第三步：同時多樣化的微生物變成了環境的刺激物，作為發育的條件，減少了對宿主基因組基本過程的限制。宿主基因組的突變在這些微生物存在時是中性的，但在它們缺失時是有害的。例如，信號Y需要一個重要的宿主編碼分子X。

X是由微生物產物Z引出。在某些點，宿主基因組中的突變導致X的功能喪失，當存在微生物編碼的Z時，X的功能是中性的。第四步：共同多樣化的微生物缺失時，不管X還是Z都不會給Y發信號，進而導致宿主適應性的降低。

越來越多的證據表明共同的進化歷史對宿主和微生物都很重要。儘管無菌小鼠可以定殖一些其他環境的特定細菌，但和供體物種關係密切的微生物能更有效的定殖。此外，宿主特異性本身會影響宿主：移植人的甚至大鼠的腸道微生物到小鼠上，不能發育成成熟的腸道免疫系統。與具有自身微生物組的小鼠相比，其免受感染的保護作用較小。在多種小鼠的相關物種中移植的腸道微生物顯示出與宿主和供體之間進化距離相關的生理學效應。宿主特異性影響脊椎動物某些特定微生物譜系的定殖動力學，包括乳酸菌屬、分段的絲狀菌（具有強效免疫調節活性）。

進化歷史和對哺乳動物宿主影響之間的相關性也出現在人類和菌種的廣泛調查中，儘管在這些數據集中正式研究共生系統模式的方法仍處於初級階段。幽門螺旋桿菌（在不同基因型的宿主上引起不同嚴重程度的胃病癥狀）長期以來被認為與人類線粒體譜系共同多樣化（codiversify ），其方式與協同進化過程或譜系特異性適應相一致。在最近一篇關於哺乳動物腸道微生物群中飲食和系統發育相關信號的研究中，許多最緊密共同多樣化的微生物譜系也與人類數據集中的炎症性腸病相關，這表明這種共同多樣化模式本身可能是尋找與人類健康相關微生物的一個很有用的工具。這些共同多樣化的譜系使得最近的「衛生假說」的候選菌種更加清晰。該假說假設微生物的免疫刺激與許多慢性疾病狀態有因果關係，並且轉換效率的差異加上抗生素使用的增加是一個危險因素。

物種特異性微生物組的機制

正如我們已經表明的那樣，擾亂物種特異性微生物組會導致不良的健康後果。闡釋決定這些微生物組組成的機制是微生物治療開發的一個關鍵先決條件。微生物組組成的的兩大機制是傳輸和過濾。

個體微生物譜系的物種特異性是通過宿主物種內微生物的限制傳輸而產生的。靈長類動物和哺乳動物的某些細菌譜系更廣泛地顯示了這些模式。兩種可能的傳輸類型：垂直傳播和水平傳播具有不同的進化意義。垂直傳輸：微生物從父母直接傳遞給後代，水平傳輸：微生物水平傳輸（不是父母傳給後代）。當宿主種群分化時，嚴格的垂直傳輸會導致共生關係的形成，從而導致長期演化時間尺度上宿主-微生物關係的穩定性。這種效應在細胞內微生物上較顯著。這些親密的相互作用導致共生體和宿主之間的協同進化，在共生體基因組中留下共同的特徵，包括減小的基因組大小。雖然哺乳動物缺乏細胞內微生物的傳播，但細胞外的垂直傳播通過食糞等機制發生。在人類中，母親在出生和哺乳期間將微生物傳輸到後代。

水平傳輸降低了宿主-微生物關係的進化保真度。垂直遺傳傾向於在生命的早期發生（當被傳輸的微生物容易在後代建立菌群作為主要的定殖微生物時）。晚年傳輸的微生物很難永久融入穩定的複雜群落社區。水平轉移也發生在物種之間，以均質化他們的微生物組。微生物通過食糞、社會互動、和同居等方式在水平方向擴展。

微生物組通過宿主的微生物過濾來進行物種特異性配置。LourensBaasBecking在微生物生態學上創造了一種持久的——即使錯誤的——零假設的模式：「一切無處不在，但環境是選擇的」，即使這種模式並不是普遍真實的，但它為接觸寄主生態系統的無數環境微生物提供了一個有用的框架。兩個過程導致宿主微生物組的微生物過濾：微生物間的競爭和棲息地的篩選。腸道微生物組的共生和代謝模型化的系統發育模式表明棲息地的篩選比直接的競爭在微生物組成上發揮的作用更大。

腸道中棲息地過濾有哪些因素？營養物質的可用性可能起著關鍵的作用，宿主飲食在腸道微生物上有很大的影響。其它許多物理和化學因素對於不同的物種有所不同，包括消化器官的類型、消化道長度、蠕動速度，pH值，氧水平，免疫系統和宿主衍生分子。

遺傳方法幫助我們了解哪些宿主因素影響微生物組成。無論是通過傳輸或過濾機制，宿主遺傳學在一定程度上決定了腸道微生物組的組成,許多常見腸道微生物的丰度在人類群體中是並行遺傳的,包括克里斯滕森菌科、甲烷短桿菌屬和梭狀芽胞桿菌。在這種情況下遺傳力不一定是從母親到後代的垂直遺傳。相反，個體間的遺傳變異與腸道微生物的相互關係歸因於微生物的傳輸和過濾。雙胞胎的遺傳力研究由垂直傳播控制，因為同卵和異卵雙胞胎之間的垂直傳播速率並不被認為是不同的。在這些研究中遺傳力模式可能是由像過濾這樣的過程產生的。在這種情況下，過濾可能在宿主生物化學和物理因素如腸道pH、蠕動速率、代謝物濃度和IgA水平下驅動，這些因素在個體中以可遺傳的方式變化。儘管目前的樣本量不足，但全基因組關聯的微生物組學研究將精確描述宿主的代謝通路和過程，這些通路和過程可能在微生物過濾上有重要的作用。迄今為止，這些研究將免疫和飲食/營養相關的基因視為微生物組成的重要調節器。

微生物組的不同部分可能具有不同的動力學，使我們解決在進化過程中傳輸和過濾競爭效應的問題更加複雜化。即使腸道微生物群落的相似性和宿主系統共生模式下的進化歷史能精確對應，就像類人猿已經證明的那樣，通過系統發生的相關因素（如腸道形態）來進行環境過濾，進而確定可能通過的群落成員。而其他個體通過共同多樣化模式追蹤宿主自身的系統發育。系統地將腸道微生物自身的系統遺傳信息納入比較數據集，可以很好地揭示不同宿主因素對微生物組的影響。如果我們能識別出進化過程中腸道微生物組成員在宿主健康上扮演的角色聯繫起來的一般模式，那麼系統遺傳信息可能是鑒定和干預健康相關的微生物的一個有用工具。

微生物醫學——開放性問題

人類與周圍和體內的微生物和諧共處，並各自從最近的共同祖先分化。通過了解這些分化下的特徵和機制，我們應該能夠對「是什麼使得人類是一個微生物的人類」這一觀點有一個全面的認識，以及哪些成員與人類健康相關。儘管微生物組之間以及微生物與宿主之間相互作用的複雜性是一個巨大的挑戰，但更為協調和有預見性的理論框架對於系統微生物學的進步是必不可少的。具體而言，應用系統發育和群體遺傳學方法來研究微生物組中自然選擇的目標和效應，將使我們能夠更加準確地模擬這種內部微生物生態系統的配置和功能。我們現在準備解決幾個關於人類腸道微生物組進化的突出問題，並將這些信息用於醫學研究。

首先，腸道中哪個類群顯示出很大的物種特異性，維持這種關係的機制是什麼。通過鳥槍法宏基因組學能夠觀察微生物組菌種水平上的變化。對錶型或環境收斂的宿主物種進行廣泛抽樣（如夜間活動、高海拔等），將使過濾因子的評估和系統發育分離開來。剔除這些影響是與醫學微生物研究相關的，因為採集模式可能影響我們微生物靶向治療的方式。

其次，我們能否為宿主—微生物的相互作用建立一個模型框架，以告知我們關於腸道內和世代之間關於微生物動力學的基線假設?群體遺傳學理論在定義進化研究中的期望方面起著關鍵作用，包括宿主-病原體相互作用。此外，群體遺傳學框架更廣泛地評估了特定有機體的遺傳特性對生態系統的影響。或許可以借鑒這些方法，來建立宿主—微生物進化過程模型。

最後，多大程度上是適應導致的共同多樣化模式，以及在何種程度上可以用中性過程來解釋。這通常意味著人類和他們的微生物已經適應了彼此，擾亂這種關係會導致疾病。有證據表明在少數情況下存在非中性的過程。

當我們向前邁進時，將這些工具和知識帶入醫學微生物組研究中，採用一種進化的醫學方法，可以闡明微生態失衡的機制，並使我們能夠利用潛在的微生物組來改善人類的健康。

撰稿人：王曉麗

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