Nature重磅｜贯穿全生命周期的微生物更替

翻译 by 刘黎啸、熊沐钊、王康、胡靖浩

在成长的过程中，饮食、作息、运动等一件件小事都会影响每个人的生活并留下“烙印”，菌群便是其中一个重要的“烙印”。每个人的菌群都是独一无二的，并会随着时间不断演替，越来越多的研究发现菌群和人的健康状况密切相关，甚至可以被用来预测年龄。2022年7月，美国加州大学圣地亚哥分校Dilip Jeste教授及加州大学圣地亚哥医学院Rob Knight教授合作在Nature Reviews Microbiology上发表了题为“Microbiota succession throughout life from the cradle to the grave”的综述文章，阐述了贯穿人整个生命历程中多组织器官的微生物演替情况，以及微生物在疾病治疗、取证等方面的应用。

摘要

人类微生物群和年龄密切相关且遵循着一定的规律。人体中一些组织器官的微生物组成可以相对准确地预测人类的时序年龄。尽管目前尚不清楚为什么某些微生物在特定年龄段更为丰富，但众多针对人类微生物群的研究已经阐明，人体微生物群落在整个生命历程中会发生一系列的变化。在这篇综述中，作者探讨了健康人体整个生命历程中微生物群落的演替情况。文章讨论了从出生时人体微生物群的初级演替，到疾病或服用抗生素对菌落的破坏，再到死亡时的微生物扩张等几个阶段，也介绍了这些微生物演替活动如何因身体部位和微生物种类（细菌、真菌或病毒）的差异而不同，并且还回顾了研究人员用于开展微生物群研究工作的实验工具。最后，文章展望了微生物群与年龄之间关系的未来研究方向，包括设计具有较高共通性的方案、建立有力的纵向研究、改进完善统计分析方案并细化非细菌微生物的识别特征。

正文

人类微生物群是生活在人体表层或体内的细菌、真菌、原生生物、古菌和病毒（通常分别称为细菌群、真菌群、原生生物群、古菌群和病毒群）的群落。人们对不同年龄的细菌群落变化了解较多，但对真菌、古细菌、原生生物或病毒则知之甚少，但这并不代表细菌更重要。微生物群存在于人体的黏膜表面，并在每个人体部位具备独特的生态。因此，人体相关微生物群落也是因人而异、各不相同的。人类常驻微生物约含有200万至2,000万个编码基因，而人类基因组仅含有约20,000至25,000个编码基因。因此，可以说微生物群占人体遗传能力的99.9%。在生命从出生到死亡以及腐烂分解的每个阶段，身体中微生物群落的组成都是动态变化的。研究自然状态下和干预后的微生物群落中的变化有可能彻底改变人们对人类生物学的理解。

微生物演替被定义为微生物群落中一种或多种有机体相对丰度或绝对丰度的变化，这种演替过程可以是确定性的也可以是随机性的。驱动确定性演替的因素分为三类：非生物因素（如pH或氧化还原反应）、环境因素（如共生、饮食或旅行）和生物因素（例如先天和适应性免疫）。随机性演替被定义为不是由环境决定适应度的微生物群落的变化（也称为“生态漂移”）。微生物确定性和随机性演替取决于群落形成中的几个因素，包括出生、旅行、饮食（例如母乳）和抗生素等。在正常或健康衰老的生命历程中，微生物演替主要包含三个阶段。

第一阶段，初级演替，从人出生时“先锋种群”首次建立群落时开始，随之而来的便是微生物群落的快速变化。从出生到儿童时期，微生物种群的变化率降低，并在出生和童年晚期之间出现一些过渡种群（图1，第2-4栏）。微生物的初级演替在顶级群落形成后迎来尾声，这一阶段被认为发生在青春期甚至会持续到成年，而顶级群落的特征在于其具有相对的稳定性（图1，第4栏）。尽管成年期的微生物群比儿童期更稳定，但仍存在变异性，这加剧了关于人类微生物群中是否存在顶级群落的争论。成人微生物群发生自然变化的时间尺度由小时（昼夜节律）到年（年龄）不等，但微生物群相对稳定，除非存在饮食或药物等导致的干扰。第二阶段，即次生演替，发生在几乎所有先前存在的稳定群落的一部分被改变或消失后，随后群落恢复到相同状态或改变为另一状态。这可能是通过抗生素等医疗手段人为干预的，也可能是通过霍乱弧菌感染等疾病自发导致的。人类的次生演替的特征是至少有一段随机过程占主导地位。在干预的条件下，如单个疗程的抗生素，群落遵循类似于初级演替的过程，其中部分现有微生物群落充当“微生物记忆”，并帮助重建与之前类似的群落。这一过程被认为是由一批关键菌群成员驱动的，而不是驱动初级演替的“先锋微生物”（图1，第5-7栏）。第三阶段，最终的演替是宿主自然衰老和死亡的一部分。在衰老过程中，微生物群体演替速度加快，并且产生由更少微生物组成的群落。其中，变形菌门（如假单胞菌）的相对丰度通常会增加，并可能在群落中占据较大优势（图1，第8栏）。

图1 从人类受孕到死亡的微生物群演替过程。在人类不同的生命阶段常驻细菌、真菌和病毒的多样性发生改变。模拟时钟反映的是每种微生物群落发育阶段相对于宿主年龄的时间。“免疫印记”在出生前就通过母亲的微生物群及其代谢物开始了（第一栏）。“先锋种群”则是从出生就开始出现在身体特定部位的微生物群落（第二栏）。这些群落的复杂性继续增加，直到它们达到一个相对稳定的群落结构（第三和第四栏）。内部和外部的扰动会导致这些微生物群落发生次生演替（第五栏）。一些中间种类的微生物重新建立初始群落，直到再次达到稳定状态（第六和第七栏）。在晚年，群落会经历最后的演替并随着宿主的自然死亡而发生变化（第八栏）。微生物演替的最后一个阶段是腐烂和分解（阶段）。在这一阶段，群落的多样性进一步下降，在最初的24-48小时内，许多人类微生物群落结构是保守的，但随后很快开始被侵蚀（第九栏）。绿线和蓝线分别显示了适应性免疫和先天免疫在不同生命阶段和底部微生物演替过程的相对强度。

人类基因组在出生时已确定，且整个生命历程中无法改变（至少在目前的技术下）。与人类基因组不同，每一个独特的微生物群都可以随时间变化。个体特定的身体部位，所处的地理位置和个体年龄与迄今为止所有基于生理学或人口学所研究的健康微生物群均具有较强的联系。年龄驱动人类微生物群中的alpha多样性和beta多样性（图2）。通过针对微生物演替的各个阶段的研究，研究人员能够更加了解与人类相关的微生物群落是如何形成和维持的，可以更好地了解随着年龄的增长如何干预、维持微生物群，以及了解微生物群与人类健康的关系。尽管检测和描述微生物群落的方法尚是一个正在蓬勃发展的领域，但研究标准还是存在的，这使得针对跨队列的联合研究成为了可能。

图2 对不同年龄段的细菌多样性的测定。在美国肠道项目的数据集中，研究人员测量了从儿童到年老人群的粪便（图a）、口腔（图b）和皮肤（图c）中微生物的细菌多样性和系统发育史，这个公众科学研究项目包含了21,919份粪便，1,920份口腔和998份皮肤微生物群样本的16S核糖体RNA基因扩增子测序结果。Alpha多样性是一种定量测量一个样本中不同类型微生物数量的方法，图的左列是采用Faith系统发育多样性（Faith’s phylogenetic diversity,PD）测量物种进化距离。UniFrac beta多样性主坐标分析是一种比较微生物群落相似性的方法，图的右列根据年龄进行着色，其中空间上接近的点代表相似的样本，空间上遥远的点代表不同的样本。

幼年的初级演替

影响人类微生物群的第一个因素来自于胎儿发育过程中的母亲。胎儿通过胎盘暴露于母体微生物群落产生的代谢物，这些代谢物后续会影响其免疫系统，并影响正常微生物群和病理学的各个方面。母亲在怀孕期间的健康状态、饮食和抗生素使用会影响微生物群落产生的代谢物的组成及其向胎儿的转运。例如，母亲的肠道微生物群发酵膳食纤维，产生的醋酸盐等短链脂肪酸可以穿过胎盘。胎儿组织中的醋酸盐会影响与成年后调节性T细胞生成相关的表观遗传印记，这类T细胞可以预防老年哮喘的发生。微生物代谢物（包括短链脂肪酸）和配体调节宿主芳香烃受体（Aryl hydrocarbon receptor，AHR）有助于塑造新生儿的微生物群和免疫系统的发育。母亲抗生素的使用和胃肠道相关疾病也相关，如炎症性肠病（Inflammatory bowel disease, IBD），也被认为会通过胎儿免疫系统的印记增加后代后期的病理风险。然而，这些相关性仅在非人实验模型中得到了验证。在一个案例中，无菌小鼠定植了来自IBD孕妇或新生儿的微生物后出现异常的微生物群和免疫进程，提示IBD的发生。母亲的微生物群和免疫系统在怀孕期间也会发生改变。母亲的阴道微生物群变得更加多样化，包括许多通常在其他身体部位发现的微生物。妊娠期间的母体免疫系统与胎儿形成协同作用，包括通过胎盘转移IgG抗体（图3a)。

人类微生物群落的形成和初级演替的开始发生在出生时，新生儿的微生物群来自母亲的微生物群。出生时获得的微生物群究竟是来源于阴道和粪便微生物群的混合，还是出生时的阴道微生物群本身就是多能性的，并后续发展成为先锋微生物群，仍然存在一些争议。无论确切的母体来源如何，这一阶段的特征是先锋细菌物种，如乳酸杆菌、肠杆菌、大肠杆菌、拟杆菌、副拟杆菌和普雷沃氏菌，它们会在适当的身体部位定植：包括肠道、口腔和皮肤。许多先锋细菌是兼性厌氧菌，它们耗尽氧气，从而使专性厌氧菌能够在这个环境中定居。起初，新生儿的每个身体部位都是相对未分化的，但先锋微生物会快速起始形成身体部位依赖的微生物群落多样性的级联变化，每个部位的细菌至少要在生命的第4至第6周才容易被区分（图3b)。

人类肠道中细菌群落的发展已经得到了很好的研究。一开始双歧杆菌属是主要的群落，在生命第一年的最后逐渐演变成双歧杆菌、梭状芽孢杆菌和拟杆菌的组合。接下来是拟杆菌属丰度的增加，厚壁菌门内形成更多样化的属（也称为杆菌门；例如，梭状芽孢杆菌、粪杆菌、瘤胃球菌和韦荣氏球菌），而双歧杆菌属的物种丰度相对减少。双歧杆菌可以分解母乳中的母乳低聚糖（Human milk oligosaccharides, HMOs），这被认为开启了新生儿的免疫印记系统。最近的一项研究发现了含有HMOs分解代谢基因的双歧杆菌等细菌与婴儿免疫系统发展的功能相关。值得注意的是，与对照组粪便水不同，接受双歧杆菌EVC001的婴儿粪便水中极化了先天性T细胞，而这与肠道炎症的减少有关。然而，而其他属的菌群，如拟杆菌属和阿克曼氏属，也可以降解HMOs。到3-6岁时，肠道细菌群落形成顶级群落，一直持续到整个成年期。这个微生物群落是已知的最密集和最多样化的生态系统之一。通常，在这段时期一般健康人中只有两个细菌门占主导地位：厚壁菌门和拟杆菌门。

图3 在子宫内和生命早期的初级演替。那些将被微生物群定植的胎儿由于母亲在胎儿免疫系统上的印记，会在身体每个部位设定初始群落组装轨迹。代谢物如短链脂肪酸（如乙酸盐）和其他微生物化合物可通过胎盘转移至胎儿，并影响免疫发育。母亲的饮食和健康也会影响这些代谢物（图a）。出生后，微生物群落会根据身体部位迅速分化（图b）。在最初的菌种定植阶段，先锋种群和以后4年的群落发展可能受到出生模式和孕育时间的影响。随后中期群落将由饮食（如母乳或配方奶粉）和环境决定（图c）。最后，饮食和环境再次确立了稳定的顶极群落（图d）。底部表示了不同的真菌、细菌和病毒分支组成，以不同的颜色和代表性形态表示。不同分支的存在或不存在与正文中的描述一致。

在人类肠道发育过程中，对病毒群、真菌群和古菌群的探索远远少于细菌群。在整个生命过程中，真菌群所占的总数远远少于细菌群或病毒群。在生命刚开始的几天，真菌群落中含有大量的红酵母和德巴利酵母，接下来的一个月是念珠菌、隐球菌和酵母菌。到成年后，优势真菌属为曲霉、念珠菌和酵母菌。在发育过程中肠道的古菌群的演化过程还不清楚，但古菌群是最早的定植者且丰度较低。早期定植的古菌群包括甲烷属和甲烷短杆菌。病毒群落主要由噬菌体组成，在生命的第一周数量众多。噬菌体家族的长尾噬菌体科、短尾噬菌体科和肌尾噬菌体科在出生后成为主导，主要以溶原性形式存在（整合到细菌基因组中）。到生命的第4个月，尾病毒目噬菌体大量生长且通常呈溶解状态（感染性噬菌体颗粒或积极复制的噬菌体）。在成年人中，尾病毒和微病毒在肠道噬菌体群落中占主导地位，但噬菌体肠道病毒体对个体具有高度特异性，对其演替仍不清楚。与噬菌体不同的是，真核感染病毒的肠道病毒组主要与儿童（例如，胃肠炎）和成人的疾病相关。最近，也观察到一些真核生物感染病毒以较低的丰度存在于健康儿童和健康成人中，但其时间和流行率尚不清楚（图3b-d，肠道栏）。

口腔菌组在出生时主要是链球菌属、双孢菌属、颗粒链菌属和韦荣氏球菌属。在接下来的几个月里，乳酸菌属和梭杆菌属逐渐成为主体。葡萄球菌的丰度在生命的第3个月左右达到峰值后稳步下降，随后芽菌、肉芽菌、嗜血杆菌和罗西亚菌的丰度增加。牙齿形成后，口腔微生物群再次发生变化，梭菌门、梭杆菌门、协同菌门、互养菌门、糖化杆菌（TM7）和SR1的丰度更高，并持续到成年。口腔真菌群被认为比皮肤和肠道的真菌多样性更少。在生命的第一天念珠菌属就是口腔的第一个真菌定植者。目前对中间期口腔真菌群落还知之甚少，但到成年后口腔中念珠菌、枝孢菌、葡萄球菌、曲霉、镰刀菌和隐球菌就比较普遍了。在发育过程中的口腔古菌目前的研究较少，但成人口腔中有许多古产甲烷菌，包括甲烷短杆菌属。就我们所知，目前对病毒在人类婴儿口腔中定植的了解还相对较少。在成人中，与肠道相似，最常见的噬菌体群是尾病毒目。真核口腔病毒群落在本质上通常被认为是病理性的（例如，柯萨奇A病毒、麻疹病毒、卢布尔病毒和人类乳头瘤病毒），而且目前还没有病毒群落的纵向研究。然而，许多真核病毒类群也在无症状和其他健康的成人中观察到（图3b-d，口腔栏）。

在出生时皮肤细菌群落中含有大量的母体阴道乳酸菌。到第4-5周，婴儿皮肤微生物群类似于成人皮肤微生物群，但在青春期特异性部位的菌群会具有位点特异性，比如腋窝相比于前臂的优势菌属包括葡萄球菌和棒状杆菌，假单胞菌、肠杆菌、肠球菌、变形杆菌和克雷伯氏菌。在皮肤真菌群中，马拉色菌属、念珠菌属和酵母菌属在生命的前30天普遍存在。中期群落的确切组成目前还知之甚少，但成人真菌群落通常有很丰富的马拉色菌种类，估计占总真菌群落组成的75%到90%。人们目前对皮肤中古菌群落的发展知之甚少，但古菌约占成人群落的4%。广义上说，成人古菌皮肤群落包括奇古菌和广古菌门。成人皮肤上也能发现盐杆菌科和甲烷短杆菌属。与肠道和口腔不同，健康的皮肤微生物群中已知的病毒多样性相对较少，而且鲜有研究，这可能是由于与低生物量样本相关的技术限制。不过，在皮肤上有一些天然存在的病毒种群(图 3b-d，皮肤栏）。

有几个因素塑造和区分了在生命的最初几年里微生物群落的发展。目前研究影响人类微生物群落的最好和最明确的因素是出生模式和母体抗生素的使用。然而，即使是对于一个母体中的同卵双胞胎，由于许多未知的或随机的过程，微生物的发育也可以导致独特的结果。通过剖腹产和生产前后护理以及新生儿抗生素的使用，所有身体部位的自然微生物群落建立过程都可能被破坏。这一发现强调了阴道微生物群落的重要性，它天然含有大量的乳酸菌。但在青春期、更年期和怀孕期间阴道微生物都发生了改变，这正是女性健康的核心。一些最佳抽样的婴儿发育研究，通常缩写为DIABIMMUNE、ECAM、TEDDY，随访了婴儿出生后的2年和3年的情况，并重点关注抗生素使用或出生模式的影响。在上述所有研究中，相比于那些通过剖腹产出生的婴儿，阴道出生的婴儿的拟杆菌相对丰度要高。缺乏天然先锋种群的建立会导致更可变的群落组成，这被认为更多的是由随机过程而不是确定性的程序驱动的，到生命的第四年仍然可以观察到出生模式对微生物群落组成的影响。出生模式影响的一个例外是早产，可能是由于在出生后的最初几天大量使用抗生素，因此无论出生模式如何，微生物群落的发育都不稳定。这种婴儿微生物群自然发育的改变与感染、免疫性疾病、肥胖和神经内分泌异常的风险增加有关。其次，与其他因素相比，母乳喂养对微生物群的发育有很大的影响。与母乳喂养相比，使用配方奶会导致微生物群落具有更高的多样性和更不确定性。例如，在出生时由于双歧杆菌科在肠道中的天然优势，缺乏HMOs的配方奶作为主要营养来源会导致初始菌群定植的不稳定。然而，微生物群、乳代谢物组和免疫系统发育的多组学整合是一个活跃和快速发展的研究领域。除了HMOs，母乳还含有其他免疫调节化合物，如来自革兰氏阴性菌的脂多糖、分泌性IgA、先天免疫因子、抗菌肽和益生元因子。最后，所有这些因素都会影响人类的免疫发育。微生物相关的分子模式识别受体（例如，Toll-like receptors和NOD-like receptors）与微生物衍生的分子（例如，脂多糖），代谢物如短链脂肪酸（GPR43，GPR41和GPR109）以及次级胆汁酸（FXR）的相互作用直接影响免疫发育。总结来看，这些因素中的很多都有助于形成一种独特的、相对稳定的细菌、真菌和病毒微生物群落，这持续存在于人类生命大部分时期。

图4 青春期和成年期的次生演替。与初级演替和人类发育过程中的微生物群落组合相比，成年期的微生物群落相对稳定。这个群落可以自行进行动态调整与变化，如与宿主昼夜节律相关的微生物振荡，以及与饮食或季节相关的变化（图a）。很多因素的干扰都会导致次生演替的发生，抗生素是最明显的例子之一。这种破坏可导致微生物群落种类丢失或低于检测水平，以及微生物动力学的巨大变化，如振幅或周期性。在这一阶段，与先锋种群类似，关键种群在防止某些致病菌过度生长方面发挥着关键作用。不久之后，随着耐氧类群和兼性厌氧菌的回归而形成中期群落。最后，专性厌氧菌的回归会让群落类似于最初的群落（图b）。底部表示了不同的真菌、细菌和病毒分支组成，以不同的颜色和代表性形态表示。不同分支的存在或不存在与正文中的描述一致。

成年期的次生演替

与发生在婴儿期首次演替的巨大变化相比，尽管成年期的微生物群落很大程度上比较稳定，但群落也会发生波动并远离顶级群落状态。对健康和疾病状态下微生物的理解是一个不断加深的和具有疾病特异性的研究领域。健康成年人体内某些细菌的基因组随着时间进化，表明在次生演替期间，功能性和组成性的进化以稳定的状态发生（图4a）。成人微生物也有以日或月或年为维度的、自然发生的短期变化（图4a）。一个很好的短期变化的例子是微生物群落组成的昼夜节律。人基因表达和免疫激活与昼夜节律相关，肠道微生物中细菌的丰度和组成也遵循这种模式变化。在小鼠中表现出昼夜循环的细菌科包括瘤胃球菌科、毛螺菌科、拟杆菌科 (S24-7) 和疣微菌科，但人们对人体中参与等效循环的细菌知之甚少，这是由于人类产生粪便的频率低于小鼠的缘故。口腔中整组真菌和细菌的波动与刷牙时间吻合。皮肤上每日真菌和细菌的改变与清洗时间一致，并依赖于个人护理产品的选择。一个被充分研究的例子是数周至数年间饮食驱动的肠道菌群的改变。饮食对微生物群落的影响巨大，包括自然的和可逆的变化。比如，坦桑尼亚的哈扎部落在旱季吃富含肉类和根茎类的饮食，但在雨季吃富含蜂蜜和浆果的饮食，拟杆菌属等属会表现出较大的季节性波动。饮食对微生物的塑造也在人类健康上发挥作用，大量研究试图理解特定的膳食补充剂和整体饮食模式是如何影响微生物和健康的。例如，以含有大量红肉为代表西方饮食就与全因死亡率相关。肠道微生物的某些行为是有害的，比如将红肉中的肉毒碱转化为三甲胺，肝脏接着将三甲胺转化为氧化三甲胺，很有可能促进动脉硬化的发生。相反，肠道微生物也可以发挥保护作用，比如红肉在肠道中被消化吸收之前，将致癌分子从红肉中分离出来，从而防止炎症。在饮食之外，许多其他因素也能帮助塑造成人的微生物群，包括遗传、地理位置、宿主因素如代谢性疾病和药物。

因微生物群落破坏而发生的次生演替已经被广泛研究和回顾。在破坏微生物群的众多因素中，抗生素是最强的，在使用抗生素后微生物群的恢复也各不相同。在抗生素治疗后，肠道微生物群恢复的能力依赖于特定的菌群成员，比如多形拟杆菌和青春双歧杆菌。疾病本身也能破坏微生物群，无论变化是由微生物群落内部因素引发（病原体过度生长）、还是宿主或多种因素的组合（图4b）。许多其他肠道疾病，比如IBD，破坏了原本的微生物群但没有达到新的稳定的群体构成，在缺乏干预的情况下，微生物群会长期不稳定。在皮肤上，特应性皮炎以金黄色葡萄球菌的大量繁殖和菌群特异性减少为特征，这是由免疫介导的炎症引起的。在金黄色葡萄球菌大量繁殖期间观察到真菌属马拉色菌的丰度下降，反之亦然，真菌丰度的增加导致金黄色葡萄球菌的丰度下降，这可能部分是由于真菌能够产生蛋白酶，消化金黄色葡萄球菌生物膜，并减弱细菌逃避免疫系统的能力。口腔中也存在类似的跨界互动。例如，真菌白色念珠菌的定植依赖于细菌生物膜，但同时假单胞菌和葡萄球菌分别与白色念珠菌形成竞争和协同关系。这些例子突出了微生物群落的相互作用和演替是如何跨领域并与宿主相互作用的，但由于其高阶相互作用的复杂性质，仍未被充分理解。

微生物群落在紊乱之后往往会存在恢复上的障碍，这促使研究人员探索靶向微生物群落恢复的干预手段。微生物群落恢复包括定向重新播种或富集或消耗某些物种，目的是让微生物群落恢复接近紊乱前的状态。这些干预手段包括益生菌、益生元、抗生素或其他药物、移植健康人的完整微生物群，或者是以上方法的组合。虽然这些治疗在某些特征明确的环境中可以非常有效地恢复为健康的微生物群落，但常因为人们对移植菌群与现有群落相互作用的机制认知有限或者它们仅能实现暂时移植而受到限制。为了解决这些机制上的问题，研究人员专注于两个领域。第一个领域涉及更好地了解微生物群落的组成方式。例如，对人类发育的研究有助于确定微生物群落在发育过程中是如何组成的，以及这种组成对生命后期的影响。其次，通过计算和实验探索微生物群落相互作用来确定机制的新方法正在被开发，包括微生物群落的高通量共培养和基因组编辑。为了解决微生物移植的短时性问题，有两种主要方法被应用。首先，微生物群落疗法的短暂和个体化影响是由每个人微生物群的个体性质驱动的。因此，针对每个人独特的微生物群进行群体改造的精准医学大有希望。例如，基于微生物群落组成的个性化营养在随机对照干预中有效地改变了餐后血糖水平。其次，跨越细菌组去探索病毒组和真菌组，以及它们之间的相互作用，具有很大的前景。例如，噬菌体疗法已经用于严重的细菌性感染耐药病例，并且靶向细菌菌株具有高度特异性。虽然这些研究结果令人兴奋，但大多数此类干预措施仍处于初步研究阶段，并且规模巨大、成本高昂。

图5 在临近死亡时的晚期演替。成年稳定的微生物群落在老年时期过渡到最终的群落（图a）。“老年”的确切时间尺度取决于其他几个与宿主相关的因素，如疾病，但迄今为止，大多数文献将“老年人”定义为65岁及以上的人。健康的衰老通常与向最终菌群的延迟过渡有关（图b顶部）。最终的群落特征是和同年龄的人相比具有更低的alpha多样性和独特性增加（图b底部）。底部表示了不同的真菌、细菌和病毒分支组成，以不同的颜色和代表性形态表示。不同分支的存在或不存在与正文中的描述一致。

晚年期的晚期演替

由于生物学进程和损伤累积导致的衰老会影响细胞功能的各个方面，微生物群也不例外。随着年岁增高，肠道菌群alpha多样性降低，beta多样性（个体间的变异度）增加。人们对老年期微生物群仍旧知之甚少，文献报道在某种程度上会出现相悖的结论（比如，Claesson团队报道说在65岁及以上的成年人体内，拟杆菌的数量增加，与其他研究结论相悖），并且大部分研究都集中在肠道细菌上。一般来说，在老年人肠道中观察到的群落演替是一些细菌的丰度减少，而这些细菌往往在年轻成人（25-45岁）中普遍存在并且是一些优势菌群，例如双歧杆菌、拟杆菌和乳酸杆菌，这些细菌丰度的减少会导致对条件致病细菌（例如肠杆菌科和梭菌属）大量繁殖的抵御能力下降。在65岁及以上的人群中，皮肤细菌中角质细菌（原丙酸杆菌）和葡萄球菌的丰度下降，而棒状杆菌的丰度更高。在口腔，罗氏菌和链球菌主导口腔微生物群的核心，类似的，卟啉单胞菌、密螺旋体和粪杆菌的丰度持续下降。老年肠道真菌群以青霉菌属、念珠菌属、曲霉属和酵母菌属的增加为特点。只有非常少的研究探索皮肤和口腔部位的菌群变化，老年以皮肤马拉色菌属和口腔念珠菌属的丰度降低为特点。在肠道噬菌体中，成年期长尾噬菌体的优势在老年期被微病毒科、短尾噬菌体和交叉组装噬菌体的优势所取代。与肠道细菌、真菌和噬菌体种群相比，真核病毒的多样性在儿童期后的整个生命过程中保持不变（图5a）。

由于个体之间的高度变异性，老年微生物演替的研究重点是对健康和不健康的衰老进行比较研究。目前尚不清楚微生物群是否在健康衰老中具有机制上的作用，或者仅是其他变量（如饮食、运动和药物）的有力指标。然而，在那些寿命更长、更健康的人群中，观察到的共性是他们持续保有在健康成年人中广泛存在的类群，例如拟杆菌属。此外，百岁老人表现出更独特的微生物群，往往伴随着alpha多样性增加以及更大的个体间群落组成差异，这使“健康”和“不健康”衰老之间的比较变得复杂。百岁老人体内富有次级胆汁酸，这也可能在健康衰老中发挥作用。尽管前景光明，但这一研究领域仍在发展中。

死亡后的微生物群

微生物演替并不会随着个体的死亡而结束，宿主的死亡可以被视为一种微生物群的生态紊乱。心脏停止跳动后，组织会因缺氧而分解，而在所有剩余的氧气耗尽、二氧化碳不再能够从组织中运输出来之前，细胞仍会具有一定功能。随着细胞内二氧化碳逐渐积累，细胞内的低氧和酸性环境会导致细胞破裂，同时导致酶（如脂肪酶）等细胞成分渗漏到周围环境，随后进一步促进组织分解，这一过程被称为自溶。自溶通过消除免疫系统、降低细胞连接紧密程度、向微生物提供营养来触发一连串导致组织分解（即腐败）的微生物过程。在分解的最初几天到几周内，腐败这一过程主要由细菌完成，但随着分解的进行，真菌将发挥着越来越大的作用（图6a）。不过，人们对于病毒组在这一过程中的演替和功能作用仍知之甚少。

人体微生物群在人死后24-48小时内相对稳定，具有独特的身体部位微生物生态学、年龄相关的alpha多样性模式和可识别的个性化皮肤微生物群特征。之后，环境的级联变化促进了微生物的演替，从而改变了人体和微生物群，使其不再像一个活着的人（除非身体被冷却或冷冻）。微生物没有了此前宿主存活时受到的环境限制，因此微生物的相对丰度能够发生快速变化、并在身体各部位迁移。迁移的细菌群成为从肠道迁移到肠道外的先锋物种，根据不同的身体部位参与初级或次生演替。随着死亡后时间的延长，群落的alpha多样性通常降低(正如营养脉冲那样)，而且不同部位的群落组成（即beta多样性）变得更加相似。肠道和皮肤是研究最多的两种人类死后微生物生态。有趣的是，死后肠道中的群落演替也遵循了在老年中检测到的趋势，拟杆菌属和乳杆菌属的相对丰度降低，而梭菌属和肠球菌科类群的相对丰度增加。死后皮肤微生物群落的组成和演替依赖于外界环境。例如，如果暴露在土壤中，大多数死后微生物和线虫都会从土壤群落中聚集起来。

死亡微生物群因其对法医学研究的影响而受到越来越多的关注。大量个体及身体部位微生物群落一致的演替时间模式证明，死后微生物群可以作为死后时间间隔的生物指示剂。在分解的早期阶段（即死亡后的前2-3周），微生物演变史包括菌群成员的快速更替，但在分解的后期阶段（例如骨骼），当几乎没有手段可用于估计死后时间时，微生物群作为指示剂对死后时间的估计仍旧是一个有效方法。死亡原因和微生物存在之间的联系也已得到证实，例如，在死于心脏病的个体的口腔微生物群中发现罗氏菌属的检出率增加了。此外，皮肤微生物群的脱落可能通过将个人与他们曾经接触过的物品（如手机）联系起来，从而有助于追踪证据。不过有所局限的是，这种独特信号能够准确匹配到个体时间取决于接触物品的材料和使用（图6b）。

图6 死亡后的微生物群。机体死亡后，微生物群在前24-48小时内相对稳定。然后组织在自溶过程中开始分解，导致胃肠道微生物群增加，但不同身体部位之间群落的alpha多样性和beta多样性减少。在腐烂过程中，真菌的作用增加，身体内的微生物群变得更类似于周围环境的微生物群（图a）。根据死亡后的时间、死因、环境、死亡地点和年龄的不同，每个个体的死后微生物群都是独特的，不同身体部位之间也是不同的（图b）。

结论和展望

在这篇综述中，作者描述了目前对不同年龄和不同身体部位的人体常驻微生物群落组成。人类健康和微生物群落组成之间的联系促使人们对利用微生物群干预健康的措施越来越感兴趣。想要对整个微生物群落进行有效干预，而不是富集或消除单一物种，需要了解这些群落是如何形成和维持的。通过研究人类生命周期中的微生物群落的演替，可以帮助人们更好地理解这些复杂的相互作用以及更好的为宿主提供所需的微生物群组成。此外，正如这里所讨论的，这些观点正在应用于其他几个领域，如法医取证等。

虽然本综述关注的是微生物群及其与健康衰老的关联，但许多疾病与加速衰老相关，许多研究也开始在微生物群落背景下进行，比如精神分裂症。在健康衰老和病理性衰老的背景下，健康的社会决定因素对健康、衰老和寿命产生重大影响。这些因素包括教育、贫穷、职业、歧视和社会关系。由于其中许多因素也与微生物群有关，因此了解这些社会决定因素的作用以及如何改变它们的影响以促进健康衰老将是未来将微生物群与衰老联系起来的重要研究主题。

尽管在描述微生物群方面投入了巨大的努力和资源，但人们还只触及到了皮毛。此外，目前存在许多挑战和局限性，例如地理抽样偏倚、隐私问题和数据标准化方面的突出问题（框1）。人们对微生物世界的理解也存在很大差异，主要是由于确定细菌以外的分群方面存在技术困难。病毒组和真菌组的群落结构和跨界相互作用是一个令人兴奋的研究领域，技术进步提高了DNA测序的准确性并降低了成本。然而，该领域仍存在大量矛盾，尤其是在纯粹由测序数据驱动的观察中，更可靠的分析是巩固该领域知识的关键（例如对数比）（框1）。通过高通量培养、宏基因组学、转录组学和代谢组学来研究相对分类学组成之外的物种是一个迅速发展的研究领域，这是填补人们认识空白的关键。

框1 微生物群的取样和量化

研究设计和样本采集

人类微生物群是动态的。考虑到这一点，设计一种能够捕捉微生物群的时间和空间变异性的采样策略非常重要，特别是当这些波动与所提出的科学问题相关时。横断面研究是从每个人那里收集一个样本，而重复测量研究是在多个时间点或身体部位收集样本。随着时间的推移，采样频率应该调整到同研究人员试图观察的现象一致。例如，小鼠昼夜节律研究通常每2到4小时收集一次粪便样本。而在IBD中，数周内对患者进行3到5次采样可以改善疾病分类。对于其他应用，例如研究特定治疗对个体微生物群的影响，可以进行“n-of-one”研究。在该研究中，同一参与者被反复探测其微生物群的变化，而治疗前收集的样本则被视为个体水平的对照。

同样要重视人群的微生物群与地理和种族密切相关。例如，在一个大型中国队列中，与年龄最相关的微生物之一在一个大型美国队列中根本没有检测到。另一个具体的例子与城市社会的“建筑环境”有关。城市人口通常较少接触环境微生物，而更多地使用家用抗微生物制剂，与农村社会的人类微生物群相比引发了显著的变化。这些考虑因素与微生物群领域特别相关，因为大多数公共微生物群数据来自城市化的北美和欧洲人口。因此，现有数据集的结论可能无法很好地推广到全球人口。

数据生成

人类微生物群和微生物组研究产生的测序数据的主要类别是扩增子测序数据和鸟枪法测序数据。在扩增子测序中，对已建立的高变区的PCR产物（扩增子）进行深度测序，通过匹配个体的“条形码”来识别和测量群体成员。这里需要做出两个选择：要扩增的基因和该基因要扩增的部分。微生物基因组的常见扩增区域包括细菌的16S核糖体RNA基因、真核微生物的18S核糖体RNA基因和真菌的内部转录间隔区。选择每个特定基因中要扩增的高变区取决于要捕获的特定微生物，但宽泛地讲，常用的包括来自地球微生物组计划的V4区。在鸟枪法测序中，所有微生物DNA都要进行测序，而不仅仅是对PCR产物进行测序，因此能对微生物进行更具体的分类。因为它不依赖于任何标记基因，所以对某些微生物组来说，鸟枪法测序比扩增子测序的偏差更小。然而，鸟枪法测序的成本要高得多，并且需要更强的计算能力，在不需要鸟枪法测序提高分辨率的情况下，扩增子测序更具有吸引力。该领域另一个担忧和突出的问题是隐私，需要确保公共宏基因组数据不用于识别研究的参与者。

将测序数据与其他分析配对

结合其他技术（包括其他组学技术）进行扩增子或宏基因组测序，可以丰富人们对微生物群和宿主的理解。如定量PCR和荧光激活细胞分选等技术，能够获得可靠的绝对丰度测量值，为相对丰度提供更多背景信息。通过提供宿主细胞类型或宿主免疫信息，酶联免疫吸附测定 (ELISA) 和单细胞测序可以很好地与宏基因组测序配对。培养组学使研究人员能够通过实验验证基因组对功能或活性的预测，并将微生物转化为益生菌。微生物产生的代谢物或蛋白质是微生物群的下游效应物，可以分别通过代谢组学和蛋白质组学进行检测。最后，宿主基因组学和转录组学越来越多地与扩增子和/或宏基因组数据配对，用于深入了解宿主基因表达和微生物群之间的联系。

元数据

最后，从被调查的参与者那里收集数据至关重要。一般微生物群研究的一些重要元数据类别包括人口统计、临床信息（即其他疾病和抗生素使用）和饮食信息。然而，使用的确切元数据会因研究而异。应采用生成标准化元数据的做法，以便结果可重复使用和重现。

责编：王敏

排版：嘉明

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