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人體“第二基因組”初現端倪

2010-03-14
第二基因組,基因組
人體“第二基因組”初現端倪
2010年03月14日新京報
深圳華大基因研究院承擔了MetaHIT計劃中腸道微生物樣品的測序及后續生物信息分析工作。《自然》雜志報道了“人體腸道菌群元基因組研究”。
  2010年3月3日的《自然》雜志封面上,赫然站立著一個藍色透明男子。他的消化系統被加以亮色,奪人二目,封面大標題是:“我們的第二基因組”。每個人只有一個基因組,“第二基因組”是什么呢?答案:它是我們腸道里的細菌的基因組。歐洲和中國的科學家聯手,為124個人腸道里的微生物進行基因測序,這些和我們關系密切,但是神頭鬼臉的小東西,終于開始在我們的視野里變得清晰起來。

  1 源起 我們是細菌的“殖民地”

  這次研究工作的學名叫做“人體腸道菌群元基因組研究”,參與這項研究的恩里奇(Dusko Ehrilich)對記者說:“這是當代最重要的科學研究之一”,它和我們每個人都有重要的關系。這是因為它把視線投向了我們身體里最重要的“居民”———腸道微生物。

  美國普度大學農業與生物系食品工程專業博士、科學松鼠會成員云無心表示,自從出生的那一天起,人的身體就是一個細菌的樂園。一個成人體內的細菌總重量大約有1.5千克,一般認為其總數至少是人體總細胞數的10倍。科學已經知道,腸道中的很多細菌可幫助人體處理復雜的化合物,生成氨基酸和維生素,因此腸道細菌的種類和數量與身體健康密切相關。所以,你不是“一個人”在戰斗!你以為是你自己消化了那些食物,以為自己合成了那些營養物質?錯!沒有體內細菌的幫助,我們的消化功能就要出問題了。但同時,“臭屁”的臭味也來自那些細菌。它們還可能產生毒素,引發腸炎。

  云無心說,我們腸道里的菌群是個巨大的生態系統,它不僅個體數目龐大,還處在永不停息的更新換代之中。在大腸中,每分鐘死亡和新生的細菌多達兩百萬到五百萬,而在小腸之中,這個數字還要高上10倍。有一些細菌是常住的,在腸道的固定位置繁衍生息,而其他一些則是流浪的,隨著食物穿腸而過,來去無牽掛。隨著腸道順流而下,細菌密度也急劇增加。在小腸里“地廣菌稀”,每毫升腸容物里還只有1000個細菌的樣子;到了大腸,就發生了“菌數爆炸”,一毫升腸容物里的細菌達到了上千億。

  所以,從我們的觀點來看,腸道菌群是我們的共生生物,而在腸道細菌看來,我們是他們的“地球”。參與“人體腸道菌群元基因組研究”的雷斯(Jeroen Raes)在接受BBC采訪時說:“我們都是會走路的細菌殖民地。它們有著非常大的多樣性,腸道細菌數是我們人類細胞的10倍,細菌包含的基因大概是我們自己基因的100倍。”

  2 方法 “簡單粗暴”放“鳥槍”

  為了研究腸道微生物,歐盟資助了宏大的“MetaHIT”項目。該項目的合作伙伴包括了來自中國、美國、丹麥、法國、日本、西班牙、英國、芬蘭等8個國家學術界和工業界的13個成員,而我國深圳華大基因研究院承擔了MetaHIT計劃中腸道微生物樣品的測序及后續生物信息分析工作。《自然》雜志上發表的文章正是MetaHIT、華大基因和歐洲分子生物學實驗室(EMBL)科學家聯合研究工作的共同結果,他們的雄心就是給人體腸道微生物做“菌口普查”。

  那么,這么復雜糾結的系統,如何進行研究呢?在過去,科學家通過顯微鏡研究腸道細菌。不同的細菌往往看起來非常相似,而且人工環境下培養腸道細菌也非常困難,所以當時有些成果,但對腸道菌群的生態系統的了解始終無法突破。

  最新的方法直接突出,向人們展現了腸道生態系統的全貌。“人體腸道菌群元基因組研究”使用的方法有點粗魯和嚇人。研究者把便樣里的所有細菌的DNA提取出來,然后對它們進行分段掃描。分段掃描的方式是隨機的,從而形成很多個“單擺浮擱”的基因片段。這種方法有個俗名,名叫“鳥槍法”(Shotgun)。就像裝填霰彈的鳥槍一槍打出幾百個彈丸一樣。這樣,就像霰彈打鳥一樣掃描一番之后,會得到很多個基因片段。這些基因片段的總信息量要遠大于被測序的基因的信息量。這樣,就會有很多重合片段,可以通過這些重合片段了解基因的真實順序。這就好比把“床前明月光”掃描3次,分別得到“床前明”、“前明月”和“明月光”,根據計算,可以把“床前明月光”復原。

  比起“從頭到尾”的測序法,“鳥槍法”因為其“簡單粗暴”而容易實行,但前提是有足夠的計算能力。華大基因研究所憑著其超級計算機的云計算技術,成功地完成了這項任務。

  3 成果 160種細菌占優勢

  根據華大基因研究院公布的數據,“人體腸道菌群元基因組研究”共獲得330萬個人體腸道元基因組的有效參考基因,約是人體自身2萬個基因的150倍。該基因集中包含了絕大部分目前已知的人體腸道微生物基因,但更多的是目前未知微生物的基因。

  研究人員表示,從這個基因集中可以估計,人體腸道中存在1000種到1150種細菌,平均每個人體內約含有160種優勢菌種。這些細菌之間的差異要小于之前的估計,約40%的細菌可在半數研究對象的腸道中找到。

  對于這一系列數據,一般公眾可能最想知道的是這次研究到底發現多少種細菌,有多少種是之前沒有發現的?對此,華大基因研究所的覃俊杰博士表示:“關于細菌的分類,現在一直存有爭議,我們的研究更傾向于從基因角度去描述人類腸道菌群”。而對于細菌種類的估計,恩里奇做了個簡單的計算,我們找到了大約300萬個基因,每個細菌平均有3000個基因,兩者相除是1000,但是很難確知到底有多少種細菌。現在,我們研究的是人類腸道菌群,未來還會更加細致地描述每種細菌。

  現在的研究已經得到了令人興奮的結果。根據對基因信息的統計可知,腸道細菌在人和人之間的相似程度超出了此前科學家的估計。目前已分離的腸道細菌大部分是多數人共有的。此外,也存在只有個別人擁有的腸道細菌,并且這些細菌絕大多數都是未知的。

  恩里奇表示,如果看任何兩個人,會覺得區別比較大,但是考察很多人,會發現總體上來說人體內的細菌還是很相似的。他說,腸道內所有的細菌就好比標準的蛋糕,每個人都從其中切走幾塊,可能你切了一塊有巧克力的,我切了一塊有草莓的,他切了一塊有獼猴桃的,看起來不一樣,但其實都是這塊“蛋糕”的一部分。但還是很有可能我的腸道里有一種細菌,是其他多數人都沒有的。

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  事關“便便”

  如今,以往被認為是隱私禁區的排便問題成為了一個很受關注的話題,與排便有關的養生圖書不斷出現。在網絡上,很多人都不忌諱談自己的糞便,并且親切地稱之為“便便”。

  在研究人體腸道微生物的過程中,“便便”立了大功。作為食物最終產物的它們經歷了腸道的全部旅行,所以里面包含著人體腸道內的全部細菌。便便排出體外,所以不需要使用“侵入性”的方法提取樣本。那么,要做人體腸道菌群基因組研究,一個人需要貢獻多少便便呢?恩里奇說:“手指尖那么大一點點就可以。”

  順便說一下,英語中指代“便便”的詞匯異常豐富。除了為人熟知的“shit”之外,還有“dung”、“feces”、“ordure”、“turd”等等。在關于“人體腸道菌群元基因組”研究的英文報道中,用的則是“stool”這個詞,聽起來很可愛,正像中文中的“便便”。

  還有一個詞一定要記住,那就是“便樣”。隨著對腸道細菌研究的深入,未來腸道菌群將成為檢驗人體健康情況的重要指標,所以提供“便樣”的場合不會少。英文中的“便樣”是“faecal sample”,“faecal”源于拉丁詞匯,聽上去還是很雅致的。
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本欄目主要介紹基因工程方面,包括人類基因組計劃、轉基因、基因技術、人體“第二基因組”初現端倪等。特別關注有關人與文化方面的研究。

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