以健康人和大熊貓為模型的哺乳動物腸道菌群多樣性分布與核心功能種屬的研究.pdf

1、哺乳動物在地球上已存在了數(shù)百萬年。在這一漫長的歷史中，為了適應(yīng)地球氣候和環(huán)境的劇烈變化（比如大規(guī)模植被的形成），以食肉為主的原始哺乳動物多次拓展生境，極大地改變了它們的覓食行為、食性和消化系統(tǒng)，通過廣泛的進(jìn)化輻射形成種類繁多的食草動物。大部分食草動物都特化形成了大容積的消化器官如前腸和后腸以延長高纖維食物的停留時間，使多樣的專一性消化纖維素的微生物能充分降解這些難以消化的植物纖維。哺乳動物與它們的共生腸道菌群長期相互適應(yīng)并共進(jìn)化，形成了

2、復(fù)雜而又緊密的相互作用，成為一個密不可分的整體——“超級生物體”。一方面，食性、消化道形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性對塑造哺乳動物腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用；另一方面，腸道菌群能提供宿主自身不具備的眾多代謝功能，這些功能部分對宿主健康有益（比如合成維生素和產(chǎn)生短鏈脂肪酸），部分卻對宿主有害（比如釋放內(nèi)毒素）。如果腸道中的某些微生物成員對于維持宿主的健康具有必不可少的關(guān)鍵作用，它們就有可能在健康哺乳動物的腸道中廣泛存在，成為腸道核心菌群。本論文

3、中，我們分別以兩種不同的哺乳動物作為超級生物體模型，探究健康哺乳動物是否具有腸道核心菌群，及其對宿主健康可能的貢獻(xiàn)。
　　我們首先以健康年輕人體為研究目標(biāo)。人體腸道菌群被認(rèn)為具有雜食性靈長類動物腸道菌群的典型特征，比如其高于食肉動物但低于食草動物的腸道菌群多樣性。眾多研究已證實，健康人體腸道菌群的多樣性和組成結(jié)構(gòu)能在較長時間中維持穩(wěn)定，但兩者均表現(xiàn)出明顯的個體間差異。目前尚不清楚這種個體間差異與哪些因素有關(guān)，是否對人體健康具有潛在

4、影響，而健康人腸道菌群是否具有跨越個體間差異的普遍共同的特征也值得研究。因此，我們選取了來自7個民族、9個省份的城市和鄉(xiāng)村的共計20個中國健康年輕人群的腸道菌群開展橫斷面研究（n=314）。研究表明，民族和地域?qū)@些人群的腸道菌群結(jié)構(gòu)具有顯著影響，而對于不同民族和不同地域的人群，城/鄉(xiāng)生活方式對菌群結(jié)構(gòu)的影響效果各不相同。盡管不同人群的腸道菌群結(jié)構(gòu)顯著不同，我們依然發(fā)現(xiàn)有9個細(xì)菌屬（即Phascolarctobacterium、Rose

5、buria、Bacteroides、Blautia、Faecalibacterium、Clostridium、Subdoligranulum、Ruminococcus和Coprococcus屬）在所有個體內(nèi)共同出現(xiàn)，其序列總量幾乎占所有序列量的一半，同時這些屬都含有已知能產(chǎn)生短鏈脂肪酸的成員，預(yù)示著它們對于維持人體健康可能具有重要作用。進(jìn)一步研究表明，由這9個屬構(gòu)成的核心菌群的具體組成依然體現(xiàn)出與民族/地域以及城/鄉(xiāng)生活方式相關(guān)的顯著差

6、異。本研究證實了來自宿主和環(huán)境的多重因素對健康年輕人群腸道菌群的顯著影響，同時，本研究定義的“腸道核心功能種屬”不僅在所有個體中都存在，而且可能為人體提供了一致功能的、對健康有益的“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”，可能代表了健康人體腸道菌群的一個普遍特征。
　　就腸道菌群而言，人類對自身的認(rèn)識遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于對其它哺乳動物的了解。由于食性和腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)對腸道菌群的塑造非常關(guān)鍵，有必要對一些具有特殊食性和腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)的哺乳動物進(jìn)行研究。大熊貓作為其中的典型

7、代表，至今對它的腸道菌群的研究仍極為有限。大熊貓從雜食性的熊科動物進(jìn)化而來，但它在數(shù)百萬年前就已轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ｒ恍砸灾褡訛槭车氖巢菪詣游?。然而，大熊貓依然保留了食肉動物的消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在它的基因組中也缺乏能編碼竹子纖維消化酶的基因。為了求證大熊貓是否如同大多數(shù)食草動物一樣，進(jìn)化形成了與高纖維食物相適應(yīng)的腸道菌群，我們對一圈養(yǎng)大熊貓種群（n=45）在一年中春季、夏季和深秋季的糞便菌群進(jìn)行縱貫性研究。研究發(fā)現(xiàn)每個大熊貓個體的菌群多樣性和結(jié)構(gòu)均隨季

8、節(jié)發(fā)生了明顯的變化，這種個體內(nèi)前后不同季節(jié)間的變化程度甚至超過了不同個體間的菌群結(jié)構(gòu)差異，表明大熊貓腸道菌群的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。與前人發(fā)表的54個哺乳動物物種的124份腸道菌群樣本相比較，所有大熊貓（包括前人研究的9頭圈養(yǎng)和7頭野生大熊貓）的腸道菌群多樣性極低，同時整體結(jié)構(gòu)與其它食草動物截然不同，卻類似于與它進(jìn)化關(guān)系相近的食肉和雜食動物。大熊貓這一類似于食肉動物的腸道菌群具有三個主要結(jié)構(gòu)特征。首先，大熊貓缺乏其它食草動物腸道中廣泛存在的與消化

9、纖維素有關(guān)的細(xì)菌（如來自 Ruminococcaceae科和Bacteroides屬的成員）。其次，大熊貓腸道中的優(yōu)勢細(xì)菌為革蘭氏陰性的兼性厭氧的Escherichia/Shigella和Streptococcus，同時只有Escherichia/Shigella為“核心”細(xì)菌屬。最后，Clostridia綱的成員在大熊貓腸道中豐度和出現(xiàn)率均較高，但在其它食草動物腸道中幾乎不存在，且與已知的Clostridium屬消化纖維素相關(guān)細(xì)菌的系