共生功能体（holobiont）的概念，被定义为宿主及其相关的微生物群体（包括真核生物和原核生物），这一定义使科学家能够对人类进化和个性化特征有一个全面的新认识。新加坡环境生命科学工程中心的Kundu等人对一个人生命周期中不同阶段的微生物-宿主联系进行了研究，回顾了微生物群落与宿主之间共生的现有知识，并描述了在理解这些相互作用及其对人类生理的潜在影响方面的挑战，包括微生物-神经系统的相互关系及其与人类个性化的相关性。

如果没有共生关系，我们今天所看到的地球上的生命将不复存在。微生物和简单的单细胞生物之间的共生关系被认为是随后多细胞真核生物的壮大及物种多样性所必需的。此外，任一人类细胞都携带有线粒体和细胞器，这些都是原核生物的残留物，如果没有它们，我们将无法维持生命。在过去的几十年里，科学家对微生物组和宿主之间的共生关系进行了研究，揭示了关于生理和病理生理复杂机制的新见解。微生物群落是一个多样的生态系统，主要由在人体中占据不同位置的偏利共生（commensals）和互利共生（mutualists）微生物组成，它们被认为与宿主的大部分器官发生相互作用。微生物群落在不同的个体之间有很大的差异，并且受到营养、生活方式、性别、昼夜变化和生理的影响，它们在不同的生命周期中具有独特的组成和功能特征。微生物在生物体不同生命周期中的变化，是转变期机体生理变化的结果还是在机体生理改变中做出了自己的贡献，这一点仍存在争议（这些转变期包括：婴儿期从母乳到固体食物喂养、青春期激素变化、成年期胃肠道成熟及衰老相关的低水平慢性炎症）。无论如何，随着宿主生命周期的变化而改变的肠道微生物群落，越来越被认为是发育和机体内稳态的强大贡献者。

最近的研究表明，鉴于微生物群落的生理作用，微生物群落可以用来很好地预测疾病风险、餐后血糖反应、减肥后体重的反弹风险等。随着科学家更好地了解微生物在生命周期中的改变及其对生物通路的影响，我们可以设想：年龄特异性的微生物群落状态或使疾病风险预测及分层成为可能，这些疾病包括炎性、代谢性、肿瘤、神经退行性疾病。肠道微生物群落是人体中最多样化、研究最深入的共生生态系统，在Kundu等人的综述中，研究人员关注了健康个体中肠道微生物群落的主要特征。其他非胃肠道和非细菌的微生物群落也可能在人类发育中扮演着同样重要的角色，但目前还较少被研究和讨论。

直到现在，人们还普遍认为新生儿是无菌的，最初的微生物接触发生在出生时。人类胎盘被认为是一种屏障，可以选择性地防止母体抗体、有毒分子和微生物转移到胎儿的血液中，从而维持胎儿的“无菌”。然而，最近的发现挑战了这种“无菌”的观点，多种微生物群落可能存在于人类的精液和子宫中。此外，还有其他许多研究表明，在正常的胚胎发育过程中，亲代的微生物种群可能会定植于不同的微环境（niches）中，比如胎盘、羊水和脐带血，这表明，对于发育中的胎儿，存在从母亲到子代的宫内初始微生物的选择性定植。新生儿的第一次大便-胎粪中存在一种短暂的微生物群落，进一步支持了子宫定植的存在。科学家通过比较来自多个母亲-后代配对微生物组样本，揭示了胎盘、羊水和胎粪之间共同的微生物特征，这表明，早期的肠道定植可能是在产前，由母体微生物通过特殊途径发起的。例如，胎盘和羊水表现出相似的特征，它们的多样性相对较低，变形菌占主导地位。许多研究都支持这样一种观点，即母体肠道微生物群是胎儿肠道菌群的关键来源。

微生物组垂直传播（母婴传播）的另一个主要阶段发生在出生时。在分娩的时候，新生儿通常会暴露于阴道微生物，其中乳酸菌（Lactobacillus）和普氏菌（Prevotella spp）占主导地位。相比之下，剖腹产出生婴儿的微生物组与阴道分娩不同，主要由葡萄球菌（Staphylococcus）、棒状杆菌（Corynebacterium）和丙酸杆菌（Propionibacterium spp）所主导，这类似于皮肤的微生物群落。这种从母亲到后代的微生物转移是一个重要的早期生命检查点，因为新生儿离开了脐带支持的子宫环境，开始了自己的呼吸，并积极地开始寻求食物，婴儿发生了一次巨大的新陈代谢转变。

产后负责在母婴间传播微生物的是初乳和母乳。一些证据表明，初乳和母乳可能提供了婴儿肠道中共生菌和益生菌的群落，每天供应多达8×104～8×106个细菌。这种微生物来源，再加上母乳中大量的脂质，增加了婴儿围产期肠道菌群的多样性和功能性，这反映在生命的第一周，胎粪转变成了更复杂的粪便微生物群落。有趣的是，每个母亲似乎都在她的乳汁中有其独特的微生物模式，这可能表明了一种个性化的母婴（母亲到婴儿）微生物印记。有几篇报告也指出，在最初的母婴垂直传播中，细菌菌株具有共性，大多数定植菌属于乳酸菌（Lactobacillus）、葡萄球菌（Staphylococcus）、肠球菌（Enterococcus）和双歧杆菌（Bifidobacterium）属。相比之下，配方奶喂养可能会大大改变婴儿的肠道微生物群落组成。这些与母乳相关的微生物的相对贡献，以及它们在以后的生活中对生理和疾病的影响，值得进一步研究。

相对简单的从母体获得的微生物群落在引入膳食补充剂、固体食物和断乳后逐渐成熟，变得越来越复杂，并且越来越像典型的杂食动物。值得一提的是，双歧杆菌在微生物组中占主导地位，最适合加工乳寡糖，但会随着固体食物的引入而减少。微生物群落从婴儿到功能更成熟的肠道菌群的逐渐转变，与免疫系统的快速发展，以及饮食摄入的显著变化相一致。这种转变被认为需要花费长达3年的时间，并在菌群的相对丰度上发生了巨大的变化。在这一关键时期进行抗生素治疗可能会改变这个过渡阶段以及儿童期微生物组的组成。婴儿微生物组的特点是，在仅母乳喂养的婴儿中存在的微生物可促进植物多糖的分解，这例证了微生物群落如何使其宿主适应向植物性饮食的转变。一项广泛的跨文化研究发现：无论地理位置如何，婴儿和成人之间的细菌通路都存在差异。例如，婴儿的微生物群落富含从头合成叶酸的基因，而成人则富含代谢植物性饮食中叶酸的基因。有趣的是，与成人相比，婴儿肠道微生物群落中存在更大的个体间功能基因变异，这反映出在成长的婴儿中，来自母体的微生物特征在之后的生活中随着肠道微生物多样性和复杂性的增加而逐渐被覆盖。一项对3岁以下的马拉维双胞胎开展的纵向比较研究显示，与健康的同卵双胞胎相比，恶性营养不良者具有异常的微生物组特征。有趣的是，将恶性营养不良者的粪便微生物移植给无菌小鼠后，与移植健康双胞胎微生物群的小鼠相比，移植了恶性营养不良者微生物群的小鼠，体重显著下降，这表明，早期肠道微生物组与营养不良相关疾病之间的因果关系，而营养不良相关疾病是本世纪全球卫生的关键问题。未完待续

(作者：高建臣）

参考文献：Cell 2017;171:1481-1493