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人体“第二基因组”初现端倪

2010-03-14
第二基因组,基因组
人体“第二基因组”初现端倪
2010年03月14日新京报
深圳华大基因研究院承担了MetaHIT计划中肠道微生物样品的测序及后续生物信息分析工作。《自然》杂志报道了“人体肠道菌群元基因组研究”。
  2010年3月3日的《自然》杂志封面上,赫然站立着一个蓝色透明男子。他的消化系统被加以亮色,夺人二目,封面大标题是:“我们的第二基因组”。每个人只有一个基因组,“第二基因组”是什么呢?答案:它是我们肠道里的细菌的基因组。欧洲和中国的科学家联手,为124个人肠道里的微生物进行基因测序,这些和我们关系密切,但是神头鬼脸的小东西,终于开始在我们的视野里变得清晰起来。

  1 源起 我们是细菌的“殖民地”

  这次研究工作的学名叫做“人体肠道菌群元基因组研究”,参与这项研究的恩里奇(Dusko Ehrilich)对记者说:“这是当代最重要的科学研究之一”,它和我们每个人都有重要的关系。这是因为它把视线投向了我们身体里最重要的“居民”———肠道微生物。

  美国普度大学农业与生物系食品工程专业博士、科学松鼠会成员云无心表示,自从出生的那一天起,人的身体就是一个细菌的乐园。一个成人体内的细菌总重量大约有1.5千克,一般认为其总数至少是人体总细胞数的10倍。科学已经知道,肠道中的很多细菌可帮助人体处理复杂的化合物,生成氨基酸和维生素,因此肠道细菌的种类和数量与身体健康密切相关。所以,你不是“一个人”在战斗!你以为是你自己消化了那些食物,以为自己合成了那些营养物质?错!没有体内细菌的帮助,我们的消化功能就要出问题了。但同时,“臭屁”的臭味也来自那些细菌。它们还可能产生毒素,引发肠炎。

  云无心说,我们肠道里的菌群是个巨大的生态系统,它不仅个体数目庞大,还处在永不停息的更新换代之中。在大肠中,每分钟死亡和新生的细菌多达两百万到五百万,而在小肠之中,这个数字还要高上10倍。有一些细菌是常住的,在肠道的固定位置繁衍生息,而其他一些则是流浪的,随着食物穿肠而过,来去无牵挂。随着肠道顺流而下,细菌密度也急剧增加。在小肠里“地广菌稀”,每毫升肠容物里还只有1000个细菌的样子;到了大肠,就发生了“菌数爆炸”,一毫升肠容物里的细菌达到了上千亿。

  所以,从我们的观点来看,肠道菌群是我们的共生生物,而在肠道细菌看来,我们是他们的“地球”。参与“人体肠道菌群元基因组研究”的雷斯(Jeroen Raes)在接受BBC采访时说:“我们都是会走路的细菌殖民地。它们有着非常大的多样性,肠道细菌数是我们人类细胞的10倍,细菌包含的基因大概是我们自己基因的100倍。”

  2 方法 “简单粗暴”放“鸟枪”

  为了研究肠道微生物,欧盟资助了宏大的“MetaHIT”项目。该项目的合作伙伴包括了来自中国、美国、丹麦、法国、日本、西班牙、英国、芬兰等8个国家学术界和工业界的13个成员,而我国深圳华大基因研究院承担了MetaHIT计划中肠道微生物样品的测序及后续生物信息分析工作。《自然》杂志上发表的文章正是MetaHIT、华大基因和欧洲分子生物学实验室(EMBL)科学家联合研究工作的共同结果,他们的雄心就是给人体肠道微生物做“菌口普查”。

  那么,这么复杂纠结的系统,如何进行研究呢?在过去,科学家通过显微镜研究肠道细菌。不同的细菌往往看起来非常相似,而且人工环境下培养肠道细菌也非常困难,所以当时有些成果,但对肠道菌群的生态系统的了解始终无法突破。

  最新的方法直接突出,向人们展现了肠道生态系统的全貌。“人体肠道菌群元基因组研究”使用的方法有点粗鲁和吓人。研究者把便样里的所有细菌的DNA提取出来,然后对它们进行分段扫描。分段扫描的方式是随机的,从而形成很多个“单摆浮搁”的基因片段。这种方法有个俗名,名叫“鸟枪法”(Shotgun)。就像装填霰弹的鸟枪一枪打出几百个弹丸一样。这样,就像霰弹打鸟一样扫描一番之后,会得到很多个基因片段。这些基因片段的总信息量要远大于被测序的基因的信息量。这样,就会有很多重合片段,可以通过这些重合片段了解基因的真实顺序。这就好比把“床前明月光”扫描3次,分别得到“床前明”、“前明月”和“明月光”,根据计算,可以把“床前明月光”复原。

  比起“从头到尾”的测序法,“鸟枪法”因为其“简单粗暴”而容易实行,但前提是有足够的计算能力。华大基因研究所凭着其超级计算机的云计算技术,成功地完成了这项任务。

  3 成果 160种细菌占优势

  根据华大基因研究院公布的数据,“人体肠道菌群元基因组研究”共获得330万个人体肠道元基因组的有效参考基因,约是人体自身2万个基因的150倍。该基因集中包含了绝大部分目前已知的人体肠道微生物基因,但更多的是目前未知微生物的基因。

  研究人员表示,从这个基因集中可以估计,人体肠道中存在1000种到1150种细菌,平均每个人体内约含有160种优势菌种。这些细菌之间的差异要小于之前的估计,约40%的细菌可在半数研究对象的肠道中找到。

  对于这一系列数据,一般公众可能最想知道的是这次研究到底发现多少种细菌,有多少种是之前没有发现的?对此,华大基因研究所的覃俊杰博士表示:“关于细菌的分类,现在一直存有争议,我们的研究更倾向于从基因角度去描述人类肠道菌群”。而对于细菌种类的估计,恩里奇做了个简单的计算,我们找到了大约300万个基因,每个细菌平均有3000个基因,两者相除是1000,但是很难确知到底有多少种细菌。现在,我们研究的是人类肠道菌群,未来还会更加细致地描述每种细菌。

  现在的研究已经得到了令人兴奋的结果。根据对基因信息的统计可知,肠道细菌在人和人之间的相似程度超出了此前科学家的估计。目前已分离的肠道细菌大部分是多数人共有的。此外,也存在只有个别人拥有的肠道细菌,并且这些细菌绝大多数都是未知的。

  恩里奇表示,如果看任何两个人,会觉得区别比较大,但是考察很多人,会发现总体上来说人体内的细菌还是很相似的。他说,肠道内所有的细菌就好比标准的蛋糕,每个人都从其中切走几块,可能你切了一块有巧克力的,我切了一块有草莓的,他切了一块有猕猴桃的,看起来不一样,但其实都是这块“蛋糕”的一部分。但还是很有可能我的肠道里有一种细菌,是其他多数人都没有的。

  【链接】

  事关“便便”

  如今,以往被认为是隐私禁区的排便问题成为了一个很受关注的话题,与排便有关的养生图书不断出现。在网络上,很多人都不忌讳谈自己的粪便,并且亲切地称之为“便便”。

  在研究人体肠道微生物的过程中,“便便”立了大功。作为食物最终产物的它们经历了肠道的全部旅行,所以里面包含着人体肠道内的全部细菌。便便排出体外,所以不需要使用“侵入性”的方法提取样本。那么,要做人体肠道菌群基因组研究,一个人需要贡献多少便便呢?恩里奇说:“手指尖那么大一点点就可以。”

  顺便说一下,英语中指代“便便”的词汇异常丰富。除了为人熟知的“shit”之外,还有“dung”、“feces”、“ordure”、“turd”等等。在关于“人体肠道菌群元基因组”研究的英文报道中,用的则是“stool”这个词,听起来很可爱,正像中文中的“便便”。

  还有一个词一定要记住,那就是“便样”。随着对肠道细菌研究的深入,未来肠道菌群将成为检验人体健康情况的重要指标,所以提供“便样”的场合不会少。英文中的“便样”是“faecal sample”,“faecal”源于拉丁词汇,听上去还是很雅致的。
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本栏目主要介绍基因工程方面,包括人类基因组计划、转基因、基因技术、人体“第二基因组”初现端倪等。特别关注有关人与文化方面的研究。

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