遲卉 李燕 馬翠翠 郭瑞芳 王佳林

1 共生功能體(holobionts)及其基因組的研究進(jìn)展

1.1 共生功能體及其基因組的定義 微生物在與宿主共同進(jìn)化過程中保留了有利存活的特征，并和宿主形成了一個(gè)整體，這個(gè)整體的概念定義為共生功能體，即宿主與其相關(guān)菌群組成的生物單位，其基因組被稱為共生基因組(hologenome)[1]。微生物與宿主之間的關(guān)系受到越來越多的重視，相關(guān)科研學(xué)者開始從整體角度考慮微生物群- 宿主關(guān)聯(lián)，并提出共生系(phylosybiosis)研究方法，即微生物群落關(guān)系與宿主系統(tǒng)發(fā)育平行變化研究[2]。共生基因組由兩個(gè)互補(bǔ)部分組成：宿主和微生物組基因組，無論哪一部分出現(xiàn)變化，都會(huì)引起整體變異。在人體大約20 000萬個(gè)基因中有3 300萬個(gè)屬于微生物組，宿主基因組是高度保守的，其遺傳變化發(fā)生緩慢，而微生物基因組是動(dòng)態(tài)的，可以通過增加或減少特定微生物，獲取新的微生物，水平基因轉(zhuǎn)移和垂直基因遺傳，也可以發(fā)生突變。研究人員認(rèn)為這種快速變化可以使微生物基因組在不斷改變的環(huán)境條件下適應(yīng)和生存，從而為宿主基因組的適應(yīng)和進(jìn)化提供必要的時(shí)間[3]。共生基因組的變化促進(jìn)了共生功能體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，共生功能體被認(rèn)為是一種進(jìn)化的選擇單位，通過共生基因組實(shí)現(xiàn)世代間傳遞。

1.2 共生功能體及其基因組的研究進(jìn)展 研究認(rèn)為，正常情況下，微生物與宿主之間存在平衡狀態(tài)即穩(wěn)態(tài)，這種穩(wěn)態(tài)的存在起到維持健康的作用。有研究表明，外界菌群侵入、炎癥等可以推動(dòng)宿主和微生物的穩(wěn)態(tài)失衡，即出現(xiàn)疾病或疾病前狀態(tài)，至于這種穩(wěn)態(tài)的改變與疾病的先后關(guān)系目前還無法完全清楚[4]。人體免疫系統(tǒng)也與微生物群共同進(jìn)化，微生物群提供驅(qū)動(dòng)發(fā)育的重要信號(hào)，適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的主要作用除了阻擊破壞原有生態(tài)系統(tǒng)的病原體之外，還包括維護(hù)共生微生物群的穩(wěn)定。有學(xué)者認(rèn)為以共生功能體為出發(fā)點(diǎn)，綜合各種方法去研究微生物群和宿主之間的互作機(jī)制，是當(dāng)前解決宿主和微生物關(guān)系以及研究和預(yù)防疾病的有效手段[5]。

2 胃微生態(tài)共生關(guān)系研究進(jìn)展

2.1 胃內(nèi)微生物的概念 胃內(nèi)微生物主要指胃部細(xì)菌菌群，由于胃部快速蠕動(dòng)、胃酸分泌、小腸返流等原因，大部分胃部細(xì)菌是過路菌。以前認(rèn)為可以定植于胃內(nèi)的細(xì)菌只有H.pylori，但是近年來研究發(fā)現(xiàn)還有其他很多細(xì)菌同樣可以定植[6]。目前研究估計(jì)，胃內(nèi)的微生物密度為102～104 CFU/mL，并且有強(qiáng)烈的個(gè)體化差異，與環(huán)境、遺傳、攝食以及身體狀態(tài)相關(guān)[7]。過路菌在通過的過程中如何得以存活并定植的研究結(jié)果目前還不夠充分，且即使是16SrRNA測(cè)序手段也不能判斷細(xì)菌還是否有活性，想要在此方面有所突破，未來要依靠宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)(Metatranscriptomics)[8]。

2.2 胃內(nèi)微生物的主要組成 大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，胃內(nèi)占主導(dǎo)地位的菌群分為五大類，包括厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、梭狀菌門(Fusobacteria)[9]。其中胃黏膜中主要是變形桿菌及和厚壁菌門，胃液中主要是厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門。自1982年開始，通過純培養(yǎng)等方法已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多胃內(nèi)菌群，2006年在Bik團(tuán)隊(duì)的研究中通過PCR和16SrRNA測(cè)序分析了23名包括白人、西班牙人、美國黑人的胃黏膜菌群，得到127個(gè)系統(tǒng)型，五大主要門屬，同樣的研究結(jié)果在中國人隊(duì)列中也得到驗(yàn)證[10]。對(duì)于健康人菌群的研究因取樣困難而數(shù)據(jù)較少，在為數(shù)不多的研究中，Zilberstein團(tuán)隊(duì)對(duì)20個(gè)健康人黏液進(jìn)行分析得出18屬，大部分屬于5大主要門，而在Andersson團(tuán)隊(duì)關(guān)于健康人的研究中得出262個(gè)系統(tǒng)型，絕大多數(shù)屬于變形桿菌門[11]。造成這種研究局面的原因可能是標(biāo)本收集和測(cè)序方法不同，當(dāng)然也受到飲食、藥物、身體特征等干擾，最重要的是收集健康人標(biāo)本本來就是困難的，目前的大多數(shù)數(shù)據(jù)也是來源于部分出現(xiàn)某些消化道癥狀而就診的H.pylori陰性患者，對(duì)于因年齡、地域、遺傳等多方面因素的干擾則需要大量研究數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)學(xué)分析解決。

3 H.pylori與人類的共生

3.1 H.pylori與人類共進(jìn)化 H.pylori是同人類共同進(jìn)化的古細(xì)菌，同時(shí)也是胃部細(xì)菌中研究內(nèi)容最為豐富的一種細(xì)菌。30年前對(duì)H.pylori的發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)結(jié)束了胃內(nèi)無菌的認(rèn)知，大量的相關(guān)研究徹底改變了人們對(duì)胃腸病的理解，而被H.pylori感染的胃成為研究特定細(xì)菌與特定的上皮相互作用的人體模型[12]。近年來，人們?cè)诰嘟? 300年前冰川木乃伊的胃內(nèi)發(fā)現(xiàn)H.pylori的存在，作為同人類共同進(jìn)化的細(xì)菌，相關(guān)學(xué)者提出H.pylori可以成為人類共生菌中宿主-微生物共進(jìn)化的典型研究對(duì)象[13]。H.pylori的感染多數(shù)在兒童時(shí)期后天獲得，不經(jīng)治療則伴隨終生。感染后主要出現(xiàn)慢性胃炎、消化性潰瘍、胃腺癌、胃黏膜相關(guān)組織淋巴瘤(MALT)。根除可治療H.pylori感染相關(guān)胃部疾病已達(dá)成全球共識(shí)[14]。更有研究證明[15]，一些胃外疾病也與H.pylori感染相關(guān)。全球范圍內(nèi)大概有50%的人口感染H.pylori，而10%～20%出現(xiàn)相關(guān)胃病，1%～2%最終形成胃癌。近年來很多研究[16]提出了根除H.pylori后并沒有完全阻止胃癌的發(fā)生，而且隨著根除治療，其他消化道疾病如胃食管疾病發(fā)病率上升，這種微生物已經(jīng)與人類共同存在了數(shù)萬年，并且在大多數(shù)情況下，大約一半的人類中有定植但沒有引起疾病。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)胃內(nèi)H.pylori存在與兒童早期哮喘和其他過敏性疾病的風(fēng)險(xiǎn)減少之間存在關(guān)聯(lián)[17]。這表明這種微生物在早期正常免疫發(fā)育中具有有益作用，H.pylori是一種可以促進(jìn)免疫調(diào)節(jié)的作用，這使人們對(duì)H.pylori與宿主的關(guān)系不得不進(jìn)行了重新考慮。分析H.pylori的系統(tǒng)發(fā)育樹，并與人類系統(tǒng)發(fā)育樹進(jìn)行比較，可揭示這些古老的定植菌種如何與人類共同進(jìn)化和傳播[18]。

3.2 H.pylori與人類共生關(guān)系的研究進(jìn)展 目前的研究表明[19]，H.pylori分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅱ型幾乎不含毒力，以預(yù)防為主，而Ⅰ型則需要根除治療。其分型使部分H.pylori在黏膜中居多，另一部分存在于胃液中。幾乎所有的H.pylori都含有VacA基因，包括兩種信號(hào)序列型S1/S2和兩種中間型M1/M2以及兩種中間區(qū)域I1/I2[20]。VacA被證實(shí)與潰瘍有相關(guān)性，但通過VacA亞型來預(yù)測(cè)胃病嚴(yán)重程度是否可行還有待商榷。CagA與癌癥的關(guān)系一直是研究的熱點(diǎn)和爭議的中心，關(guān)于這部分的研究以前集中各種信號(hào)通路的探索上，當(dāng)前全基因組關(guān)于基因畸變的研究為此拓展了一條新的道路[21]。H.pylori的重要特征就是遺傳多樣性，究其原因是高突變率和遺傳物質(zhì)與宿主的不斷交換?，F(xiàn)在H.pylori在全球可以分離的菌株有7種，科研人員認(rèn)為，對(duì)于疾病與微生物關(guān)系的研究以及防治應(yīng)落實(shí)到具體菌株[22]。

從共生體角度出發(fā)，H.pylori可視為胃內(nèi)微生態(tài)的一部分，一些研究認(rèn)為[23]H.pylori的定植可以對(duì)胃食管返流病，食管癌等起到保護(hù)作用，根除治療的盛行導(dǎo)致食管疾病的增加。另有研究顯示，兒童感染H.pylori后腹瀉發(fā)病率下降，可能是與菌群平衡和多樣性相關(guān)[24]。也就是說，其好壞要考慮分型和豐度，定植和根除都會(huì)影響原有菌群的平衡，對(duì)細(xì)菌的干預(yù)可能要多角度綜合考慮，治療上除了根除也應(yīng)考慮其他干預(yù)方式或在根除治療的同時(shí)思考穩(wěn)態(tài)恢復(fù)的方法和盡量減少平衡的破壞。在看待H.pylori的態(tài)度上，關(guān)鍵的問題應(yīng)該集中在具體的菌株和豐度上，做為胃內(nèi)菌的一員，過量和異常定植以及根除對(duì)整個(gè)胃微生態(tài)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生影響。

4 非幽門螺桿菌(NHPHs)在胃內(nèi)的共生關(guān)系

4.1 胃內(nèi)NHPHs 新的菌群研究方法揭開了一個(gè)更復(fù)雜的胃內(nèi)景觀，除H.pylori外，還有多種可以抗衡胃內(nèi)惡劣環(huán)境的細(xì)菌在胃液和黏膜中發(fā)現(xiàn)，不斷有新的革蘭氏陽性菌被分離出來。中國的一項(xiàng)研究證明，12%的胃部疾病患者存在H.pylori與NHPHs共感染，并被認(rèn)為與某些胃部疾病相關(guān)，尤其是MALT，這就使人們對(duì)NHPHs的致病性產(chǎn)生新的研究思路[25]。在關(guān)于NHPHs的研究中[26]，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的NHPHs有30多種，其中有四種在人的胃黏膜中發(fā)現(xiàn)，包括H.suit、H.salomons、H.felis、H.bizzozeronii。H.suit和H.felis感染的患者菌群構(gòu)成與單感染H.pylori患者明顯不同，而且功能預(yù)測(cè)研究也證明感染H.suit和H.felis后通路和代謝途徑受到了影響，它們可能同H.pylori一樣通過抑酸實(shí)現(xiàn)定植，但其是否具有亞硝化功能還有待進(jìn)一步研究[26]。2017年在GUT雜志上發(fā)表了一項(xiàng)通過分析胃部菌群群落揭示癌癥相關(guān)的菌群失調(diào)特征的研究，比對(duì)54名胃癌患者和81名慢性胃炎患者的黏膜組織，得出胃癌患者微生物出現(xiàn)多樣性下降，螺桿菌豐度下降，腸道共生菌為主細(xì)菌屬富集等特征[27]。微生物分析對(duì)癌癥和炎癥有很好的區(qū)分能力，并且胃癌患者的微生物在功能預(yù)測(cè)分析上存在亞硝化功能和遺傳毒性潛能。

4.2 H.pylori 與NHPHs的共生 關(guān) 系 H.pylori定植改變胃環(huán)境可為其他細(xì)菌定植提供便利，同時(shí)也產(chǎn)生競爭性抑制。H.pylori主要存在于胃內(nèi)黏液層，定植黏膜后其毒力因子作用引起炎癥誘發(fā)黏膜萎縮、壁細(xì)胞減少、胃酸分泌下降等，最后導(dǎo)致pH值上升，這種情況為其他細(xì)菌的定居提供了有利條件[28]。H.pylori分解尿素產(chǎn)生氨和碳酸氫鹽為其他細(xì)菌提供養(yǎng)料，同時(shí)也因其大量增加抑制了另一部分菌群，搶奪了養(yǎng)料和生存空間，誘發(fā)抑菌肽消滅其他菌群，并由于刺激宿主免疫反應(yīng)損傷黏膜影響了菌群生存。大量研究發(fā)現(xiàn)，H.pylori陰性者胃內(nèi)菌群主要包括五大門，而一旦感染，則H.pylori成為單一的高豐度菌群，占72%～97%[29]。感染H.pylori患者的菌群多樣性下降，構(gòu)成也發(fā)生變化。有研究顯示根除H.pylori后多樣性有所上升，主要為類桿菌、梭菌屬和放線菌屬[30]。而在Khosrawi等 人 對(duì) 131 例 H.pylori陽 性 和 84 例 H.pylori陰性個(gè)體的分析顯示其胃微生物之間沒有明顯差異[31]。關(guān)于其他菌對(duì)H.pylori的影響的相關(guān)研究認(rèn)為某些自身有益菌例如乳酸菌，可以通過對(duì)H.pylori產(chǎn)生拮抗作用抑制其生長[32]。另有研究表明[33]，鏈球菌和普氏菌在胃中有功能活性，在應(yīng)用PPI等制劑后，H.pylori根除的同時(shí)，鏈球菌和普氏菌顯著增加。而在另一項(xiàng)臺(tái)灣對(duì)6名早癌手術(shù)患者2年隨訪的研究中證實(shí)，胃部手術(shù)后，鏈球菌和普氏菌是最豐富的兩個(gè)屬，其基因預(yù)測(cè)功能研究顯示，胃內(nèi)由原本以有致癌作用的N- 亞硝基化功能轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅扄}水解NO2還原功能為主的菌群組成[34]。這都說明，除H.pylori外的其他細(xì)菌的數(shù)量和穩(wěn)態(tài)在健康和疾病中承擔(dān)了重要角色。

5 結(jié)語

在過去的20年間，微生物領(lǐng)域最大的改變就是人們意識(shí)到人與菌不是完全的敵對(duì)關(guān)系，菌群是人體生理機(jī)能的一個(gè)部分。人體的微生物平衡正如整個(gè)自然界需要生態(tài)平衡一樣，消滅某種細(xì)菌，短期內(nèi)很容易看到好的效果，某部分細(xì)菌的增多減少或消失都會(huì)引起全部微生態(tài)的失調(diào)[35]。H.pylori可以說是微生物致病研究的一個(gè)先驅(qū)性的示例，它像是一個(gè)導(dǎo)火索，拉開了胃部微生態(tài)與胃部疾病研究的這場戰(zhàn)役。從當(dāng)前關(guān)于胃部菌群特征研究的進(jìn)展以及共生體這一新的觀察角度看，胃病的發(fā)病機(jī)制將被重新考慮。以共生體的角度研究疾病機(jī)制、維持微生物穩(wěn)態(tài)和恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，為診治胃部疾病提供了一個(gè)新的方向[36]。共生觀也提供了新的治療思路，與其研究如何消滅，不如討論怎樣共存，什么樣的共存條件使得細(xì)菌不足以致病，并達(dá)到適當(dāng)?shù)拇x需求，即在不同地理環(huán)境和遺傳條件下，體內(nèi)或者說胃內(nèi)的微生物穩(wěn)態(tài)是否存在共性。疾病的發(fā)生和發(fā)展是各種致病原因結(jié)合而且呈現(xiàn)系列連鎖的反應(yīng)，在任何一個(gè)原因和環(huán)節(jié)上干預(yù)都有可能改變或緩解疾病的發(fā)生發(fā)展方向和速度，了解菌群失調(diào)和穩(wěn)態(tài)變化在其中的作用可以在診斷和治療上進(jìn)行更有效的干預(yù)，嘗試修復(fù)菌群進(jìn)行疾病預(yù)防和治療，是共生功能體研究潛在的應(yīng)用方向。