人類微生物組計畫
人類微生物組計畫 (Human Microbiome Project)
國立臺灣師範大學生命科學系 劉依萍
在人類基因組計畫 (Human Genome Project) 完成後，科學家驚訝的發現，具有複雜思考的人類基因數量，與果蠅相仿，僅有兩萬多，竟遠不如初始估計的十萬，這個數量似乎無法完美詮釋人體千奇百「病」的現象。於是，與我們一同生活，而細胞數量遠超逾人體十倍以上的龐大微生物，如何影響人體健康等疑問，成為科學家探討的議題。2012年，由美國國衛院 (NIH) 資助1.15億美元，完成了為期五年 (2008~2012) 的「人類微生物組計畫」(Human Microbiome Project)第一階段研究。
此階段研究人體腸道、口腔、皮膚、鼻腔、生殖道中共生的微生物（圖一），希望能識別健康人與患病人之間的微生物相 (microbiota) 類群，並建立龐大人類微生物DNA序列資料庫。利用16S rRNA在不同細菌中含有的高度保守性，作為菌種鑑定，並以宏觀基因組學 (Metagenomics) 方法，直接抽取微生物DNA利用次世代定序技術 (next generation sequencing)，省略菌種培養的繁複過程，更快速的大量建立序列資料庫。
圖一 人類微生物組計畫在體表皮膚20個位點處（以三種顏色點標示）採集微生物樣本，進行基因體定序分析。（圖片來源：參考文獻6.）
利用此計畫建立的資料庫研究發現，人類個體間的微生物相組成差異極大。舉腸道研究為例，以美國人、歐洲人、日本人為研究對象的結果顯示，依據菌種的組成，其腸道可劃分為三種不同型態，「腸道一型」(Enterotype 1) 有較多的類桿菌 (Bacteroides)，「腸道二型」 (Enterotype 2) 是普雷沃氏菌 (Prevotella)，「腸道三型」(Enterotype 3)則是瘤胃球菌 (Ruminococcus)。三種腸道微生物系統都以獨特方式使各種酵素處於平衡狀態，然而其成因，與族群、性別、體重、健康或年齡等均無關聯，科學家研判，可能在嬰兒時期，因腸道內最初隨機聚生的菌落生長後改變腸道環境，使得特定菌種才能聚生。腸道型的劃分，或許能成為未來醫師為病患量身打造飲食清單以及開立處方簽的依據。
透過HMP第一階段的研究結果，我們可以發現僅依照分類來確認微生物對人體健康與疾病影響的解釋尚有不足。幸運的是，科學家發現來自健康個體的微生物組竟有著相似的代謝路徑，且透過功能獲得 (gain-of-function) 與功能失去 (lost-of-function) 基因操弄手法，發現微生物組的某些蛋白質與代謝物和特定疾病有關，這或許意味著，能透過代謝路徑的研究，找出維持人類健康或導致人類疾病的原因。於是，第二階段的HMP (2013~2016) 將朝下列面向進行微生物組與人體間相關研究，包含健康的以及傾向早產的孕婦、炎症性腸病 (inflammatory bowel disease) 為主的腸道疾病患者、病毒性呼吸道感染患者、第二型糖尿病患者。每一項研究恐將歷時3年以上，且微生物的多面向研究，如轉錄組、蛋白質體、代謝物等等，都將列為評判項目，更重要的是，置換特定微生物於不同宿主間所造成的影響，或許更能解釋特定微生物對人體健康與疾病的影響。
隨著HMP計畫的研究進展，未來可能真會如同計畫執行初始，參與研究的科學家在「自然」 (Nature) 上發表的文章所說的「人類不需要去演化出太多基因，因為我們與微生物共生，彼此基因體共同演化，建構出一個『人類超級生物體』(human super-organism)。」所以，我們有兩萬個基因就夠了!
參考文獻
- 腸道菌是人體的必要器官 — 雷蒙教授的真知灼見 @ 有腸識，才能腸命百歲——蔡英傑博士的乳酸菌、腸道健康教室。http://caiyingjiedr.pixnet.net/blog/post/40964366
- Arumugam, M., Raes, J., & Pelletier, E. et al. (2011). Enterotypes of the human gut microbiome. Nature, 473(7346), 174–180. Author manuscript; available in PMC 2013 Jul 31 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3728647/
- Human Microbiome Project – Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Human_Microbiome_Project)
- Robles-Alonso, V. & Guarner, F. (2014). From Basic to Applied Research-Lessons From the Human Microbiome Projects. Journal of Clinical Gastroenterology, 48, Supp. 1, S3-S4. http://journals.lww.com/jcge/Fulltext/2014/11001/From_Basic_to_Applied_Research__Lessons_From_the.4.aspx
- The Integrative HMP (iHMP) Research Network Consortium. (2014). The Integrative Human Microbiome Project: Dynamic Analysis of Microbiome-Host Omics Profiles during Periods of Human Health and Disease. Cell Host & Microbe, 16, 276-289. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1931312814003060
- 圖一 人類微生物組計畫在體表皮膚20個位點處（以三種顏色點標示）採集微生物樣本，進行基因體定序分析。（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Skin_flora#/media/File:Skin_Microbiome20161-300.jpg）
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