马里兰州贝塞斯达， 2012年6月13日星期三 - 微生物几乎栖息在人体的每个部位，生活在皮肤，肠道和鼻子上。有时他们会引起疾病，但大多数时候，微生物与人类宿主和谐相处，提供人类生存所必需的重要功能。美国国立卫生研究院组织的研究人员联合会首次绘制了健康人类正常的微生物构成图谱，产生了许多见解甚至一些惊喜。

例如，研究人员发现，几乎每个人都经常携带病原体，即已知导致疾病的微生物。然而，在健康个体中，病原体不会引起疾病; 它们只是与宿主和人体微生物组的其余部分共存，即人体内所有微生物的集合。研究人员现在必须弄清楚为什么有些病原体会在什么条件下变得致命，可能会修改微生物如何导致疾病的当前概念。

在2012年6月14日发表的一系列协调科学报告中，在自然科学和公共科学图书馆(PLoS)的几个期刊上，来自近80所大学和科研机构的人类微生物组项目(HMP)联盟的约200名成员报告五年的研究。自2007年财政年度推出以来，HMP已从NIH共同基金获得1.53亿美元，该基金投资于高影响力，创新性的跨NIH研究。NIH各研究所和中心为HMP联合体研究提供了额外的2000万美元的共同资助。

“就像15世纪的探险家描述新大陆的轮廓一样，HMP研究人员采用了一种新的技术策略，首次定义了人体的正常微生物组成，”NIH主任Francis S. Collins博士说。 D. “HMP通过使用基因组测序技术检测健康志愿者中的微生物创建了一个非凡的参考数据库。这为加速传染病研究奠定了基础，如果没有这种社区资源，以前是不可能的。”

方法和结果

人体内含有数万亿微生物 - 数量超过人类细胞10比1.由于体积小，微生物仅占体重的1%至3%(成年人体重200磅，体重2至6磅)细菌)，但在人体健康中起着至关重要的作用。

为了确定正常的人类微生物组，HMP研究人员对242名健康的美国志愿者(129名男性，113名女性)进行了抽样，收集了男性15个身体部位和女性18个身体部位的组织。研究人员从每个志愿者那里收集了最多三个样本，如口腔，鼻子，皮肤(每个耳后两个，每个内肘)和下肠(粪便)，以及女性的三个阴道部位; 每个身体部位都可以居住在与亚马逊热带雨林和撒哈拉沙漠不同的生物体中。

历史上，医生通过分离病原体并在培养中培养它们来研究患者的微生物。这种艰苦的过程通常仅识别少数微生物物种，因为它们在实验室中难以生长。在HMP中，研究人员在5,000多个样本中的每个样本中纯化了所有人类和微生物DNA，并使用DNA测序仪进行分析。研究人员使用计算机对3.5TB基因组序列数据进行分类，以识别仅在细菌中发现的特定遗传信号 - 细菌核糖体RNA的可变基因称为16S rRNA。细菌核糖体RNA有助于形成制造蛋白质的细胞结构，并且可以识别不同微生物物种的存在。

专注于这种微生物特征使HMP研究人员忽略了人类基因组序列并仅分析了细菌DNA。此外，宏基因组测序或测序微生物群落中的所有DNA，使研究人员能够研究这些微生物群落基因中编码的代谢能力。

“最近开发的基因组测序方法现在为观察人类微生物组提供了一个强大的镜头，”国家人类基因组研究所所长Eric D. Green博士说，该研究所为NIH管理HMP。“DNA测序成本的惊人下降使人类微生物组项目进行了大规模调查。”

在医生以前只从体内分离出几百种细菌的情况下，HMP研究人员现在计算出超过10,000种微生物物种占据了人类生态系统。此外，研究人员计算出他们已经确定了健康成年人所有微生物属的81%至99%。

“我们已经确定了人类正常微生物变异的界限，”美国国立卫生研究院计划协调，规划和战略计划部主任James M. Anderson博士说，该计划包括NIH共同基金。“我们现在非常了解西方健康人群的正常现象，并开始了解微生物组的变化与生理和疾病的关系。”

HMP研究人员还报告说，这种过多的微生物贡献了更多的基因，这些基因对人类的生存负有贡献。在人类基因组携带22,000个蛋白质编码基因的地方，研究人员估计人类微生物组贡献了大约800万个独特的蛋白质编码基因或比人类基因多360倍的细菌基因。

这种细菌基因组贡献对人类生存至关重要。例如，胃肠道中的细菌携带的基因允许人类消化食物并吸收否则将无法获得的营养。

“人类没有我们消化自己所需的所有酶，”NHGRI的HMP项目经理Lita Proctor博士说。“肠道中的微生物将我们饮食中的许多蛋白质，脂类和碳水化合物分解成我们可以吸收的营养素。此外，微生物会产生有益的化合物，如我们的基因组无法产生的维生素和消炎药。” 抗炎药是调节一些免疫系统对疾病反应的化合物，例如肿胀。

研究人员惊讶地发现，微生物代谢活动的分布比提供它们的微生物物质更重要。例如，在健康的肠道中，总会有一群细菌需要帮助消化脂肪，但它可能并不总是与完成这项工作的细菌物种相同。

哈佛大学公共卫生学院的Curtis Huttenhower博士是“自然”杂志上的一篇HMP论文的合着者，他说：“看起来细菌可以相互挤压。” “重要的是代谢功能是否存在，而不是哪种微生物物种提供它。”

此外，人类微生物组的组成部分随着时间的推移而明显改变。当患者生病或服用抗生素时，微生物群组成的物种可能会随着一种或另一种细菌物种的影响而发生显着变化。然而，最终，微生物组恢复到平衡状态，即使先前的细菌类型组成没有。

临床应用

作为HMP的一部分，NIH资助了许多研究以寻找微生物组与疾病的关联，并且几篇PLoS论文包括医学结果。例如，休斯顿贝勒医学院的研究人员比较了24名孕妇和60名未怀孕妇女的阴道微生物组的变化，发现阴道微生物组在准备分娩时经历了细菌物种的急剧转变，主要表现为物种多样性减少。新生儿是细菌海绵，因为它在离开无菌子宫后会填充自己的微生物组; 通过产道的通道给婴儿带来了第一剂微生物，因此阴道微生物组进化成为健康通道也就不足为奇了。

华盛顿大学圣路易斯医学院的研究人员检查了患有不明原因发热的儿童的鼻腔微生物组，这是3岁以下儿童的常见问题。来自发烧儿童的鼻腔样本比没有发烧的儿童含有多达五倍的病毒DNA，病毒DNA来自更广泛的物种。以前的研究表明，病毒具有理想的繁殖温度范围。发烧是身体抵御致病病毒的一部分，因此对病毒载量的快速检测可以帮助儿童避免使用不会杀死病毒但可能损害孩子健康微生物组的抗生素进行不适当的治疗。

这些是最早使用微生物组数据研究其在特定疾病中的作用的临床研究之一。美国国立卫生研究院利用HMP数据和技术资助了更多的医学研究，包括肠道微生物组在克罗恩病，溃疡性结肠炎和食道癌中的作用; 牛皮癣皮肤微生物组，特应性皮炎和免疫缺陷; 泌尿生殖系统微生物组在生殖和性史以及包皮环切术中的应用; 以及一些儿童期疾病，包括小儿腹痛，肠道炎症，以及肠道真正死亡的早产儿的严重疾病。

“启用针对特定疾病的研究是人类微生物群系项目的整点，”芭芭拉Methé博士说，在J. Craig Venter研究所，马里兰州Rockville，和铅合着者的性质在纸上当前和未来人类微生物组研究的框架。“现在我们了解了正常人类微生物组的样子，我们应该能够理解微生物组的变化如何与疾病相关，甚至导致疾病。”

美国国立卫生研究院共同基金还投入了一系列研究来评估微生物组研究的伦理，法律和社会影响。虽然这些研究的结果尚未公布，但已经确定了许多重要问题，包括如何设计操纵微生物组的产品 - 例如包含被认为对身体有益的活微生物的益生菌混合物 - 可能受到监管，个人是否应该开始考虑在健康的同时储存他们的微生物组。

NIH于2007年12月启动HMP后，国际人类微生物组织联盟于2008年成立，代表资助机构，包括NIH，以及来自世界各地有兴趣研究人类微生物组的科学家。该联盟已协调​​研究，以避免重复工作，并确保快速释放分子和临床数据集。它还开发了共同的数据质量标准和工具来分享研究成果。

与其他大规模合作努力一样，NIH确保研究界可以通过公共数据库自由访问HMP数据，例如国家生物技术信息中心，国家医学图书馆的一部分，以及HMP数据分析和协调中心。

人类微生物组计划由国家人类基因组研究所管理，与NIH办公室主任，国家过敏和传染病研究所，国家关节炎和肌肉骨骼和皮肤病研究所，国家癌症研究所，国家牙科研究所合作美国国立卫生研究院和颅面研究，国家糖尿病，消化和肾脏疾病研究所。