体内只有自己的基因吗？体内微生物的基因数量可堪比宇宙恒星数

近日，科学家揭露，人体内的微生物群含有的基因数量总和可能超过全宇宙可观测到的星体的数量，可以想象出其数量的庞大。美国和加拿大的科学家所打造的一个微生物族谱网络数据库，详细描述了通过对数千个人类样本的首次扫描分析确定的数千万个微生物基因。研究发现，口腔和肠道微生物群落构成的微生物遗传多样性非常惊人，而且在所有被识别的基因中，至少有一半是单个个体独有的。

这项以哈佛医学院为首的研究仅仅是代表着分析整个人类微生物组所含基因的开始。他们的研究结果表明，至少有一半的基因对每个个体来说都是独一无二的，而且明显的多样性超出了研究人员的预期。该团队的一名研究生Braden Tierney表示：“我们的研究是一项入门研究，是了解基因含量差异如何驱动微生物行为和改变疾病风险的漫长旅程的第一步。” 他们的研究结果发表在《细胞宿主与微生物》(Cell Host & Microbe)杂志上，其标题为“ The Landscape of Genetic Content in the Gut and Oral Human Microbiome.”

研究表明，人类肠道的微生物群的种类多达150000种，可是只要有稍微轻微的组成变异就有可能影响健康甚至造成疾病。虽然如此，研究者们表示目前尚未清楚这些体内的“ 住客”和疾病之间的关系。哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所生物医学信息学助理教授Chirag Patel博士认为，即使是同一菌株的微生物也会携带不同的基因，就像没有两个兄弟姐妹的基因是相同的，也没有两个菌株的基因是相同的。同一菌株的两名成员可能具有明显不同的基因组成，因此仅关于细菌种类的信息来进行分析和判断是十分不靠谱的。

该研究的高级合著者、哈佛医学院微生物学助理教授、乔斯林糖尿病中心研究员Alex Kostic博士补充说，建立一个完整的微生物基因图谱目录，可以帮助指导精确治疗的设计和开发。“这种狭隘的靶向治疗将基于一个人独特的微生物基因组成，而不是单纯的细菌类型。”

科学家们只能估计每一种细菌的基因元素的总数，理论上的近似是以保守的10亿为单位。研究人员指出:“在人类肠道微生物群中，已经有多达1000万个非冗余基因（non-redundant gene）通过使用测序等的方法鉴定出来。”然而，之前的测序工作几乎完全集中在肠道微生物群上，在样本量方面相对有限，也没有关注整个人群中基因的总体罕见程度。

该研究团队一共收集了3500组人类的微生物群的样本进行分析，其中1400是口腔的，2100是肠道的。这一项分析总共发现了4600万种基因，并且在每个个体里面都有着很不一样的组合多样性。其中，一半以上的基因都只出现在单一个体，因此被称为单体（singletons）。口腔内的微生物群基因有49.6%属于单体；肠道内的则有56.7%的基因属于单体。平均来说，每个样本里面有2.9%的微生物群基因是单体。

研究团队的分析结果

有趣的是，该团队发现以非单体形式存在的微生物菌群基因主要都是在日常功能发挥辅助作用，如酶催化反应和新城代谢等。单体的基因在功能上则更多样化且具有一般不是微生物特征的功能， 例如帮助微生物群适应外界环境的变化。他们指出，这些单体基因会在给体内的微生物群合成一些进化版的“器官”来帮助这些微生物群。此外，有些特定的基因还在演化过程中扮演重要的角色。例如，如果某种微生物需要具备抗药性（通常因接触主体服用的药物），那么这些基因会随之产生变异来适应新环境。

他们也对单体的出现提出了两种说法。第一种是水平基因转移(horizontal gene transfer), 是指细菌与邻近同类交换遗传物质的能力。第二种说法是单体其实来自来极其稀有的微生物种类或菌株。第二种说法比第一种说法更具信服力，因为在口腔样本中检测到的独特基因不到1%；而在肠道中，只有不到2%的独特基因似乎是通过水平基因转移而产生的。相反，研究人员认为，微生物的遗传多样性可能是由细菌对环境变化(如宿主的饮食、药物、生理变化、疾病或宿主基因表达的改变)做出快速进化的能力所驱动的。

该团队打造的微生物基因族谱数据库

该研究团队也表示，目前他们建立的微生物基因族谱和数据库只收录了已知的种类，还有许多的未知的品种等待他们去探讨。他们希望建设这个数据库可以让也从事相关领域研究的学者可以马上获取已知的讯息，让研究能够事半功倍。这是一项十分具有潜力的研究，因为这有助于让学者们更加了解主体与体内微生物之间的关系，从而探讨出某些疾病的全新疗法。

参考资料：

1.https://www.genengnews.com/news/human-microbiome-genetic-diversity-comparable-to-number-of-stars-in-observable-universe/

2.Braden T. Tierney, Zhen Yang, Jacob M. Luber Eleanor Mehlenbacher The Landscape of Genetic Content in the Gut and Oral Human Microbiome. VOLUME 26, ISSUE 2, P283-295.E8, AUGUST 14, 2019