人體消化道內的菌群作用能有多大？

01-28

曾看過一個視頻，上面說腸道細菌對人的作用超出常人的想像，甚至會改變人的飲食習慣，真的是這樣嗎？現在有沒有關於這方面的研究？

我曾經讀過一篇文獻。

Cospeciation of gut microbiota with hominidsscience.sciencemag.org

我稍微翻譯了一下，可以將就著看：

原始人類與腸道微生物的協同種化

Andrew H. Moeller,1,2 Alejandro Caro-Quintero,3 Deus Mjungu,4

Alexander V. Georgiev,5,6 Elizabeth V. Lonsdorf,7 Martin N. Muller,8 Anne E. Pusey,9Martine Peeters,10 Beatrice H. Hahn,11 Howard Ochman1

摘要人類腸道內所分布細菌譜系的進化起源是未知的。這裡，我們展示了在過去的1500萬年間，細菌分類群的多個重要譜系的出現。它們來源於人類、黑猩猩、倭黑猩猩和大猩猩的腸道。有關原始人類腸道微生物群的菌株水平細菌多樣性分析表明，在宿主千萬代的進化中，類桿菌科和雙歧桿菌科的進化枝被特別保留。無論是在細胞核上還是線粒體上，這些協同種化的腸道細菌分化時間與其原始人類種群一致，這表明人類進化過程中，其細胞核、線粒體和腸道細菌基因組具有進化上的一致性。這項研究表明，現代人類腸道細菌起源於原始人類腸道細菌共生體，它們隨人類和非洲猿的分離種化而分離種化。

協同種化是親密和古代共生關係的表徵。（1,2）成為細菌共生體群落的宿主，是人類和其他哺乳動物出生後正常發育和成人保持健康的必要條件。（3）腸道細菌群落的成員關係和豐富度情況與宿主自身的遺傳和進化史（4,5）有關，但也會被飲食（6），地理（7）和醫療干預（8）所影響。外部因素會對腸道微生物群落的組成產生強烈影響，這些微生物群落在每一代寄主中重新聚集。目前，尚不清楚是否因腸道細菌譜系在長時間內持續存在於個別的宿主中而導致協同種化現象。在此，我們驗證了當代人類腸道細菌是否來源於原始人類和非洲猿類腸道內細菌共生體這一問題。

為了測試人類與其腸道細菌之間的協同種化，我們評估了人類與細菌系統發育樹之間的一致性。雖然人類的腸道微生物群DNA序列資料庫可用（4,5,9,10），但這些數據是基於短的核糖體RNA（rRNA）擴增子或槍-宏基因組學數據，缺乏能檢測細菌譜系和人類譜系聯繫的必要數據來源。細菌rRNA序列在人類進化的尺度上分化分離太慢以至於不能以其追蹤細菌的多樣化（11,12），並且槍-宏基因組測序不能可靠地捕獲來自不同宿主的相關聯細菌的同源基因區域。因此，我們用了擴增子序列的方法，其中我們對某個在細菌基因組中演變迅速的蛋白質編碼序列進行了實驗（13），以分析人類，黑猩猩，倭黑猩猩和大猩猩腸道微生物群內的菌株多樣性。這個方法的高精度使我們可以推斷有密切相關性的細菌其譜系發展情況，進而可以進行原始人類與其腸道微生物協同種化的實驗證實。

我們擴增了一系列糞便樣品中細菌的DNA旋轉酶的易變亞基B（gyrB）基因。這些樣品來自美國康涅狄格州的人類（Homo sapiens; n = 16），坦尚尼亞貢貝國家公園的野生黑猩猩（Pan troglodytes; n = 47），剛果民主共和國三個自然地域的野生倭黑猩猩（Pan paniscus; n = 24）和喀麥隆兩個自然地域的野生大猩猩（Gorilla gorilla; n = 24）（見表S1和圖S1）。我們使用了多套引物，每套引物被設計為靶向三個腸道微生物組主要細菌家族其中之一（13）：雙歧桿菌科，類桿菌科或毛螺菌科。擴增子被送往Illumina MiSeq平台測序，共產生4,578,632次讀取，平均每次採樣有41,249次讀取。通過QIIME（14）篩選高質量序列並過濾以消除測序錯誤（15）（數據文件S1至S3），和從被記錄樣品中得到的類桿菌科、雙歧桿菌科和毛螺菌科的相關頻率錯誤（表S2至S4 ）。對每個細菌家族分別進行系統發育分析。將序列與MEGA 6.0中的ClustalW進行比對（16），並且使用一般時間可逆加不變位點（GTR + I）核苷酸替換模型構建最大似然樹。用BEAST建立了最大似然樹中節點的相對時代（17）。

寄生於人科的類桿菌科各菌株之間的系統發育親緣關係印證了其寄主生物物種之間的關係（圖1）。早先對人類身上微生物群的研究僅比較了微生物群落的總體組成差異（即β多樣性）（4,5,9,10），但是我們的系統發育分析允許我們追蹤單個細菌譜系的進化。我們獲得了三個（對此項實驗）支持良好的分化支（這些分支中，分離自不同宿主物種的細菌譜系之間的關係，得到了超過50％的引導重複數據的支持），其中包含來自兩個以上宿主物種的菌株（圖1，A到C）。這些進化枝中每一支中的拓撲結構，都顯示了類桿菌科和人科的協同進化：在每一個進化枝中，由倭黑猩猩和黑猩猩收集到的的菌株形成了分離的姐妹群，它們一起形成了一個進化枝。這個進化枝與其他來自大猩猩（圖1，A和B）和人類（圖1，C）的進化支形成了姐妹進化枝圖。

圖 1 插圖中展示了一個能顯示人類和非洲猿之間關係的系統發育圖譜。（A）所示為類桿菌科一個分支的最大似然系統發育，這個分支與非洲猿協同進化但是在人類的譜系中沒有發現。在（A）和後面的圖中，黑線指示在引導重複數據支持率&>50％的節點，顏色對應關係示於插圖（中間小圖），表示各細菌譜系可以從對應顏色的宿主物種中得到，百分比表示在此宿主物種中獨立個體可以分離得到此細菌的概率。（B）所示為類桿菌科一個分支的最大似然系統發育，這個分支同樣與非洲猿協同進化但是在人類圖譜中丟失。我們可以注意到，這株細菌譜系在黑猩猩和倭黑猩猩的祖先中分叉，形成了兩個同源的協同進化譜系。（C）所示為某支與人類、黑猩猩和倭黑猩猩協同進化的細菌的最大似然系統發育。這一菌株在大猩猩中缺失。（D）所示為從根據gyrB序列推斷的由人和非洲猿中所得雙歧桿菌之間關係。「*」表示將來自倭黑猩猩的青春雙歧桿菌相對轉移到大猩猩中。

多樣化主要表現在多個類桿菌科譜系與其人類宿主譜系的協同進化上（圖1A）。然而，在沿著分支樹指向Pan的一個實例中，兩個類桿菌科譜系來自一個的寄主沒有分化的祖先譜系，而且其後它們與黑猩猩和倭黑猩猩協同進化（圖1B）。這種單一宿主中的菌株分化的情況可能與基因複製有關。在某次複製當中，單個祖先基因在基因組內產生兩個不同的基因座。某些情況下（例如圖1中的A和B），一些細菌譜系相對於人類譜系消失，這與以前的觀察結果一致，即人類捨棄了某些寄生微生物，而它們在野生猿類中仍然存在（5）。我們沒有檢測到來自大猩猩的圖1 C所示菌株的近源種。這個細菌群在人類、黑猩猩和倭黑猩猩的演化枝中存在，而在大猩猩的演化枝中丟失了。圖1A和B所示的進化枝為人類缺失型，圖1C所示進化枝為大猩猩缺陷型。這些菌株缺失並非由引物偏倚引起，因為細菌所使用的引物，即使在密切相關的來自人類和大猩猩的類桿菌科譜系分支中，也存在廣泛多樣性（數據文件S4）。對先前報道數據集（18）【包含由同在喀麥隆生活的黑猩猩（n=9）和大猩猩（n=15）所得16S核糖體DNA序列的V4區域信息（每個樣品10,028到110,324個讀數）】的再分析顯示，在這些同域種群之間沒有相似度99％的類桿菌科分類單元（OTU）。因為gyrB phyloTAG被分層嵌入到16S OTU中（13），同域黑猩猩和大猩猩完全不重疊的16S 類桿菌OUT的觀察結果，表明了同域黑猩猩和大猩猩保持不同的類桿菌gyrB譜系，儘管我們不能排除某些未被發現的低分享率譜系。

其他支持良好的進化枝由更受限的（即兩個或更少）宿主物種中分離出;然而，這些進化枝之間的關係是無法確定的，故而不能用來指示協同種化情況。其中包括來自倭黑猩猩的兩個進化枝，來自黑猩猩的三個進化枝，來自人類的三個進化枝，來自大猩猩的四個進化枝以及來自人類和黑猩猩的三個進化枝（數據文件S4）。除了其中兩個分支之外，來自相同宿主的菌株構成單系群組，證實了菌株在其各自寄主物種內具有多樣性。在另外兩種情況下，從黑猩猩中獲得的某些獨特菌株屬於來源於人類的進化枝（圖S2），表明在過去，少數菌株可以在人類和黑猩猩之間進行轉移。從黑猩猩中獲得的由人類起源的類桿菌科分支較短，這意味著這種轉移發生的時間與當前相隔不遠。

雙歧桿菌科的結果與類桿菌科類似。從人科獲得的307株雙歧桿菌科菌株的系統發育也反映了其寄主物種的系統發育（圖1D和數據文件S5）。然而，一支大猩猩來源的雙歧桿菌進化枝與倭黑猩猩來源的進化枝被認為是姐妹進化枝。因此，過去似乎曾經存在一個由Pan到大猩猩中的雙歧桿菌譜系轉移（圖1D）。進化枝的支長顯示，這次轉移發生在黑猩猩與倭黑猩猩分離後不久。與類桿菌科觀察到的相同，有關先前報道的喀麥隆同域黑猩猩和大猩猩數據集（18）的分析顯示，在這些同域種群之間，沒有相似度99％的雙歧桿菌OTU。

對於毛螺菌科，其系統發育情況與在類桿菌科和雙歧桿菌科中觀察到的恰恰相反。746種毛螺旋菌科菌株當前宿主的關聯性表明，從人科的共同祖先到現在，至少發生了四次不同宿主間菌株轉移事件（圖S3和數據文件S6）。這些結果證實了先前的觀點，即毛螺菌科的16S OUT在非洲猿種中被廣泛共享（18）。不同於類桿菌科和雙歧桿菌科，毛螺旋菌科能形成孢子，可以在腸外存活，這或許加強了它們在宿主間的散播和轉移。毛螺旋菌科的獨特進化模式表明，人類和猿腸道微生物群是協同進化和獨立分化的細菌譜系複合體（圖S4）。

我們認為，在中立模型下，來自不同宿主物種的細菌菌株之間的序列分化程度，與其對應宿主物種的分化形成時間成比例。對於顯示與人類協同種化證據的兩個細菌科，我們估計了其在進化枝內的分化時間。而它們之間的關係則概括了它們寄主之間系統發育（數據文件S7和S8）。對於任意一個細菌進化枝，我們根據上述黑猩猩來源和倭黑猩猩來源的菌株在220萬年前分離的假設，估計了同源和源自Pan的菌株以及源自人（Pan + Homo）和大猩猩的菌株的分歧日期（Ma）。用黑猩猩分離時間作為標準估計的，兩個更早分離的細菌分支的平均分離日期，與從化石和基因組證據估測的分離日期十分一致（圖2）。根據腸道細菌的序列差異，我們將人類和黑猩猩的分離時間確定為5.3 Ma（圖2A），與基於宿主線粒體基因組的估計（5.2-6.4 Ma）一致（19），但這個時間晚於最近基於核基因組的估測數據（7-13 Ma）（20）。與此相反，基於腸道細菌序列差異，人與大猩猩分離時間可以追溯到15.6Ma（圖2A）。這個時間早於基於線粒體基因組的估計（7.1到9.2Ma）（19），但在基於核基因組的估計範圍（8-19 Ma）之內（20）。

圖 2 人類進化的細節時間尺度。(A)在BEAST中建立的，根據類桿菌科和雙歧桿菌屬gyrB序列估計的人類科動物的分歧時間。誤差線表示與原始人類協同種化的每個進化枝平均分離時間的SD。(B)有顏色的趨勢線表示每個有協同種化現象的細菌進化枝中，宿主線粒體NADH1基因（mtNADH1）、宿主核拓撲異構酶I基因（TOPO1）與gyrB的同義位點偏離率。趨勢線對應於圖1和圖2中描繪的細菌分支，並在可能時顯示每個分支的命名的細菌種類。

人類與其腸道細菌之間的協同進化史提供了有效的宿主來源的日期校準數據，來估計類桿菌科和雙歧桿菌科中DNA序列進化的速率（圖2B）。在共生的雙歧桿菌科中，分子進化速率最低。與沙門氏菌和埃希氏菌屬的序列比較，其序列差異在同義和非同義位點上，分別以0.7%和0.07％每百萬年的速率累積（圖2B）（21）。與此相反，在包含人類共生和機會致病類桿菌分支（圖1C所示）中，分子進化速率最高，在同義和非同義位點上分別為7.0和2.2％每百萬年（圖2B）。這種類桿菌科分支也有最低的GC含量，為45％，而在所有其他類桿菌科分支中為50-56％。總之，在同義和非同義位點上的高分子進化率以及相對較高的AT含量表明，在含有B.vulgatus變種的進化枝的中突變率較高。有關細菌和宿主序列的時間節點相似現象，細菌旋轉酶B基因的同義位點偏離率（0.7-7％/ Ma）比宿主核DNA（拓撲異構酶I，0.2％/ Ma）快，但與宿主線粒體DNA（例如NADH1 1.4％/ Ma）類似。協同進化細菌群體的基因比宿主基因進化更快的觀察結果，可能有助於推斷新分離的宿主物種之間的進化和生物地理學關係。

我們接下來測試了腸道細菌共同進化譜系是否也存在於非洲人群中這一問題。我們用黑猩猩來源進化枝中代表性gyrB序列驗證了先前報道的23個馬拉維人類的腸道宏基因組（7）。每個期望值命中前5的搜索（？？？--The top five e-value hits of each search）被提取出來添加到任一類桿菌、雙歧桿菌科或毛螺旋菌隊列中，並且系統發育分析被重新完成（數據文件S9到S11）。所有馬拉維來源的類桿菌科和雙歧桿菌科gyrB序列的系統發育位置，表明了協同進化的歷史。在檢測到的細菌株中，馬拉維人擁有美國人沒有的一個類桿菌科協同進化譜系（圖S5）和在圖1中描繪的雙歧桿菌進化枝內的某獨特譜系（圖S6）。細菌譜系的缺失符合美國人腸道微生物多樣性普遍減少的現象（5,7）。結合來看，由馬拉維人來源的毛螺旋菌科菌株的系統發育位置，與其寄主之間發生毛螺旋菌轉移事件相互吻合（圖S7）。

人類與其腸道細菌之間的協同多樣化表明，（人類與其腸道細菌之間的）共生關係存在於非洲大猩猩的共同祖先中，並且在進化時間尺度上持續存在。我們的比較只揭示了這些共生的最小時限。而且很有可能，多樣化的細菌譜系是所有脊椎動物所共有的。來自實驗室的證據揭示了消化道細菌在宿主發育和免疫系統功能中所起的作用（22,23），表明宿主已經進化出了與其對應細菌的反應機制。同樣的，許多細菌類群已經進化並適應各自的寄主（24,25）。我們的研究結果，邁出了理解脊椎動物與其腸道細菌協同進化史的一步。

參考文獻

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15. Materials and methods are available as supplementary

materials on Science Online.

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PS：上述文獻，論述了人與腸道微生物在進化中緊密聯繫。但這也只是腸道微生物對人類重要性一個方面的體現。文獻中也有隻字片語提到了微生物可以對人產生的其他影響，並且每句後面都有來源研究標註。真要深究可以去查一下。

另，不是生物相關專業的，可能看文獻看起來比較頭疼。看看摘要引言和結論就好，它們涵蓋了大部分的內容。

作用非常大，現在新研究還在不斷的進行中，目前知道的除了免疫、消化方面，菌群還可以調節人體激素分泌，進而控制心情；腸道微生物與肥胖、與糖尿病、與帕金森病、與炎症性腸病、與自閉症……都有著密不可分的關係。

今年年初Science直接刊發五篇腸道菌群與癌症的文章，發現菌群在免疫療法中起著決定性的作用。當然，菌群也可以幹壞事：以具核梭桿菌為代表的微生物會隨結直腸癌細胞一起進行轉移，幫助癌細胞在體內其他位置安家落戶，而使用臨床常用的抗生素甲硝唑，就可以有效殺滅這些癌細胞的「忠實伴侶」，同時抑制癌細胞的增殖和腫瘤生長[1]。

[1] http://science.sciencemag.org/content/early/2017/11/20/science.aal5240

腸道是人體最大的免疫器官，腸道微生態系統可稱是人體的第九大系統，這一切都和腸道微生物息息相關。腸道微生物能夠促進腸道發育，提升免疫，提供營養，維持腸道生態平衡。腸道微生物對人的作用確實超乎人的想像，現在也是研究的一個熱門領域，有報道還顯示，腸道微生物能影響人類情緒，壽命，胖瘦等等。

腸道里的菌群

可以理解成我國人民代表大會制度下參政議政的民主黨派

雖然不直接參与神經活動但通過神經介質的分泌與接收與自主神經系統構建聯繫共同參與神經系統的活動

典型的例子就是

抑鬱焦慮會讓菌群紊亂導致便秘拉肚子腸易激綜合征

阿爾茲海默征也和胃腸道某些菌群的抗原有關

簡單的說結果吧，沒有的話人的消化系統會崩潰，接著免疫系統也完蛋，最後人掛掉。

喝多了酸奶會腹瀉，願意就是腸道菌群紊亂。

是的非常大，要不為啥鼓勵順產和母乳，就是通過這種方式把菌群傳遞給下一代