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        人類腸道菌群宏基因數量大約有多少?計算生物與醫學生態學科組發表系列論文并獲三項發明專利授權
        2021-11-22 來源:計算生物與醫學生態學組 作者:
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          上世紀末完成的人類基因組項目揭示人類基因數量大約是兩萬多(2018一項發表于Nature的估計:包括21306蛋白質編碼基因)2010年代發起的人類菌群宏基因組項目發現腸道菌群所攜帶的細菌基因大約是人類自身基因數量的150倍,也就是300萬左右(據另一項發表于Nature的研究)近日,馬占山學科組采用自己所發明的新算法(已經獲得三項國家發明專利授權)對相關數據重新分析后發現,先前關于人類宏基因多樣性的結果可能是被嚴重低估了。這些結果在算法專利授權之后,最近也公開發表出了系列論文(其論文和專利清單見本文末)。     

          他們最新的研究發現,人類(作為一個群體)僅腸道細菌(不包括皮膚等其它身體部位,也不包括病毒等其它微生物類群)所攜帶宏基因數量(種類)大約應該是在430萬至690萬之間;而人體(單個個體)宏基因數量大約是50-97萬之間;而人與人之間宏基因種類差別的標準誤Standard Error)竟然高達60-75萬。也就是說人類在宏基因數量差異的幅度大概是單個人體宏基因的數量。他們的研究還發掘出了其它一堆有趣的數字,例如優勢宏基因數量,典型宏基因的數量等等。實際上,正如論文題目(Toward a unified diversity–area relationship of species and gene diversity illustrated with the human gut metagenome)所提示的這項研究是建立了度量物種多樣性和基因多樣性的統一方法,并提出了“潛在宏基因多樣性”(也稱‘暗’多樣性)的概念和估計方法。事實上,2018年之前(Ma ZS & Li LW, 2018, Molecular Ecology Resources, vol. 18:1339–1355) 對于宏基因多樣性缺乏系統度量指標和方法,先前研究所公布數字自然受到了當時估計方法的限制。     

          這些聽起來枯燥的數據其實值得科學家、乃至普通民眾思考,或許可以啟發出更加有趣的科學假設,乃至改變我們對宏基因研究的探索方向和方法。一些顯而易見、但目前仍缺乏嚴格科學意義上的答案的問題包括:為什么人類基因數量也就兩萬多,而人類宏基因數量卻是數百萬?而且人與人之間宏基因數量差別也有數十萬,而人與人之間基因數量應該是基本相同的。例如,普通人別說是缺少一個基因,就是一個基因某個核酸位點突變了,或許會有大難臨頭(例如癌細胞突變),而同樣一個人跟別人相比缺少幾萬個宏基因可能根本就沒有任何影響。再舉一個類似例子:一位每天沖澡兩次的人和另一位兩天沖澡一次的人,他們每天(因沐浴)失去皮膚微生物所攜帶的宏基因數量可能會有顯著差異,但這些習慣通常不會對他們健康和疾病有什么影響。因此,對于目前大量關于腸道菌群對健康和疾病影響的研究所揭示的差別或許應該是謹慎和釋然并存的態度。一方面,科學家在揭示其差異的生物醫學意義時候應該是更加謹慎;而大眾對于其差異也可以比較釋然,對于極少數宣稱通過改善腸道菌群就能包治疾病的廣告也應該謹慎相信     

          科學意義上,也是在上述研究發現啟示下,在一篇仍在同行評審的論文中,馬占山團隊提出了將宏基因分為“driver”“passenger”等類別的假設。他們區別是,前者可能與人類(宿主)有協同進化作用,而后者則僅僅是過客他們所承受的進化選擇壓力可能非常不同。就像有些地方,要求出租車司機必須使用安全帶,而后排的乘客則可以自主選擇。     

          該系列論文作者包括學科組博士生陳紅菊、肖琬蒙、喬玉亭等,以及來自昆明醫科大學、昆明理工大學、美國哈佛大學的數位教授和主任醫生。研究得到國家自然科學基金等資助。     

          相關論文: 

          [1] Xiao WM et al. (2021) Diversity Scaling Analysis of Chinese Gut Microbiomes Across Ethnicities and Lifestyles. Frontiers in Microbiology. Vol. 12:736393. Doi: 10.3389/fmicb.2021.736393 

          [2] Chen HJ et al. (2021) Diversity Scaling of Human Digestive Tract (DT) Microbiomes: The Intra-DT and Inter-individual Patterns. Frontiers in Genetics, 12:724661. Doi: 10.3389/fgene.2021.724661  

          [3] Ma ZS* & AM Ellison (2021) Toward a unified diversity–area relationship (DAR) of species and gene diversity illustrated with the human gut metagenome. Ecosphere. Vol. 12(11): Doi:10.1002/ecs2.3807      

          相關授權發明專利: 

          [1] 一種基于多樣性指數和區域范圍關系的冪法則標度模型預測微生物群落結構的方法, 

          專利號:CN201710949841.0 

          [2] 一種基于Hill numbers與時間關系的冪法則模型預測微生物群落結構的方法, 

          專利號:CN201711223008.4 

          [3]一種基于多樣性指數與時空關系的冪法則標度模型預測微生物群落結構變化的方法, 

          專利號:CN201711289534.0 


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