大连张志刚：不烧钱，微生物组研究可以怎么

张志刚：不烧钱，微生物组研究可以怎么搞？

最近微生物领域的研究者很忙，因为热心肠先生搞了两个500人的微信群，大家发言很踊跃，讨论很热烈。

大的问题比如：中国要不要有自己的微生物组计划；小的问题比如：我的DNA电泳没跑好该怎么办。

目前第三个500人群在建设中，希望入群的朋友们可以加热心肠先生的个人微信号：

热心肠先生上周请浙江大学医学院的研究员秦楠，为群友解答研究中遇到的问题，随后发布了答疑记录文章：

点击阅读：《秦楠：中国微生物组计划，5年，5-10亿，这可以有！》

文章发出后，我收到了中科院昆明动物研究所的副研究员张志刚的邮件，他对几个问题补充了自己的看法。我感觉也是值得大家了解和探讨的内容，为此今天特别分享给大家。

部分内容热心肠先生做了删减编辑，并已得到张认可。

先介绍一下张：

张志刚 (1979/09/29)，男，，中国科学院昆明动物研究所副研究员。

2008年12月于云南农业大学获农学学位。2009年2月至今，就职于中国科学院昆明动物研究所进化与功能基因组实验室。

研究兴趣：

1、人体微生物组与健康和疾病的关系，重点放在肠道，特别是从宿主和微生物的互作角度去探讨相关性和机制；

2、动物适应极端环境的肠道微生物组机制是当前的研究重点。

系列研究成果以第一作者或通讯作者的身份在国际著名杂志《Current Biology》、《ISME Journal》、《The American Journal of Gastroenterology》、《InternationalJournal of Cardiology》、《BMC Genomics》、《BMC Evolutionary Biology》等上发表SCI论文10多篇。

以下是张的精彩观点：

一味测宏基因组？
这是有钱人的玩法！

一味测宏基因组，这是有钱人的玩法，也是一些基因测序公司比较喜欢的模式，但很多实验设计可能不是从我们迫切关注或亟待解决的科学问题入手。

当前肠道微生物组研究的主流思想是：仅把肠道微生物组视为一个因素，结合免疫、遗传、代谢等，整合起来回答一个重要的科学问题。因此，如果通过菌群组分和结构的变化可以很好地阐述肠道微生物组这一个因素的功能角色(Goodrich et al. 2014; Nakatsu et al. 2015)，再结合其他因素去系统地回答我们拟解决的问题，那么为什么去烧钱测宏基因组呢？

宏基因组除了烧钱之外，获得的数据信息基本是一次性使用，重点是为了捕捉功能基因信息和相应的微生物组分信息服务，很难有效再利用。

因此，从自身关注的科学问题出发，通过大样本的微生物组分和结构分析（比如细菌16S分析或者华盛顿大学吴萌新近发表的Science大作中使用的INSeq法追踪已知功能细菌的动力学规律），寻找出规律，再结合少量宏基因组测序，来开展论证才是合理的科学研究思路。

不能单靠宏基因组
解决所有相关科学问题

宏基因组学这一强大工具对我们从宏观层面了解微生物，推动微生物组研究起到了巨大作用，但我们也要清醒地看到，它有弊端，整个人类微生物组研究发展到今天，不可能单独依赖宏基因组这一门学科解决所有相关科学问题。

实际上，当前涉及到深入探讨肠道菌群功能以及变异规律的，即使使用宏基因组的理论框架，也必须拓展到宏转录组、宏代谢组，甚至宏蛋白组（可以说把“Omics”应用到了极致）。

而具体到独特细菌的生物学功能解析，必须依赖单细胞分离为基础的基因组解析、单菌或相似特性细菌簇的分离培养进行体外功能验证、移植到无菌老鼠进行体内功能验证等（特别是新兴的CRISPR-Cas基因编辑技术也加入到了肠菌基因的功能解析）。这也是当前肠道微生物组发展的主流。

肠道细菌基因变异规律与我们关注的肠菌生物学功能密切相关。Peer Bork团队发表的Nature文章利用公开的宏基因组数据mapping到已知的参考细菌基因组（到目前为止仍然是有限的）上，利用群体遗传学的策略，观察了整体水平的肠道细菌基因的变异，告诉大家肠道细菌基因组的变异极大，这与我们熟知的肠菌群落多样性和功能多样性是非常吻合的。

而近期发表在Genome Biology上的“Inter-individual differences in the gene content of human gutbacterial species”(Zhu et al. 2015)更值得参考，该研究对于了解不同细菌种在不同个体间行使不同的生理功能意义重大。

肠型可能客观存在

但中国人的“肠型”到底有什么规律？

明确肠型（可以拓展到人体不同部位的微生物群落类型）对于我们降低背景噪音，准确发掘与特定表型（包括正常生理代谢功能或者特定疾病表现等）密切相关的肠道功能菌是至关重要的。对于肠型是否存在的问题，我们在授粉蜂上做了相关的研究(Li et al. 2015)，结合人、哺乳动物（黑猩猩和老鼠）(Arumugam et al. 2011; Moeller et al. 2012; Moeller and Ochman 2014;Wang et al. 2014)，提示了不管是人还是其他哺乳动物，甚至是脊椎动物，肠型都是平行存在的。

肠型的分化，一方面是体现了共生微生物组如何协助宿主适应不同的环境（特别是对不同类型食物的适应能力），另外一方面，也体现了宿主可能存在不同程度的健康或疾病风险。

而当前，针对肠型的争议是方法学的问题，也就是说Peer Bork及Dusko Ehrlich等人开发的方法（PAM模型法）太多地依赖距离矩阵以及PCoA等降维策略而引发的争议(Arumugam et al. 2011; Koren et al. 2013)。

但是对于这个问题，Pat Schloss 和他的博后Ding Tao利用HMP的真实的人体不同部位细菌16S序列数据，借助DMM模型（独立于距离矩阵）(Holmes et al. 2012)，已经很好地解决了这个问题。

他们不仅证实了肠型存在（发现了4种，主要是对应西方饮食习惯，如果考虑到全球，特别是非洲和东亚人群，比如中国人群，肠型的多样性更加复杂），更重要的是他们发现了人体不同部位的微生物组都存在的不同程度的Community type的分化，比我们已知的更加多样和复杂。

这些研究提示了以前的研究存在片面性（包括研究方法和发现），同时为我们敲响警钟，针对中国人群（具有遗传多样性、生境多样性、饮食多样性和生活习惯多样性等特点），挖掘我们自身的特点和规律，才是至关重要的。

遗憾的是，针对中国健康人群肠道微生物组本底规律的研究，聊聊无几，仅仅是我们对空间异质性的研究(Zhang et al. 2014)以及近期两位知名教授内蒙古农业大学张和平教授和上海交大的赵立平教授发表的源自中国健康人群（汉族加上其他6个少数名族）的肠道微生物多样性规律（既考虑了城乡差异，又考虑了不同地理分布相关的生活习惯多元化的影响）(Zhang et al. 2015)。

那么，这些本身HMP和MetaHIT在一期计划中就解决但没有很好解决的问题（人家做的人群基本是欧美白人为主），我国更是相当空白。因此，试想一下，我们对自身的规律了解甚少的情况下，何以对肠道微生物如何贡献于我们的健康和疾病的发生做出科学的判断呢？

中国肠道微生物组计划势在必行

中国微生物研究计划启动是势在必行，但是为什么迟迟得不到资助，我们从业者应该反思！从一期开始，不管MetaHit和HMP,老外都不会和我们真玩的。尽管华大在Nature报道了首个人类肠道微生物组的破译，但是遗憾的是，那不是中国人的，是欧洲人砸钱为人家服务，当然也带动了我们（但是我们并没有被带动好，现在与欧美差距越来越大）。

接下来，欧美会和我们玩吗？我想，即使玩，也是象征性的，没有任何意义。打铁还需自身硬，我们需要提升自己的实力，不仅要在国际上展示我们的实力，在国家层面，也要向其他人展示我们自己的实力。这样，国家层面才可以踏实地让你去做。

我注意到科技部生物中心的领导，特别在热心肠先生组织的这次答疑活动中，提出关于中国微生物组计划的问题，这是非常利好的信号。

参见最新美国的情况(Alivisatos et al. 2015)，中国微生物组计划不仅仅局限在单一学科方面（比如宏基因组方面），而是需要多学科交叉，比如医学、遗传学、生物信息学、基因组学、微生物学、生态学、生理学、免疫学和化学等领域的科学家和学者共同参与才可以真正地实现。

更重要的是在上述领域中，我们国家都有相对优势的研究团队，包括中科院、高等院校以及公立医院等。如果能够形成强大的团队和合力，这样不仅仅可以扭转基础研究的不足，同时也在我们关注的与人体健康密切相关的疾病发生机制和诊治方面有所突破。

计算支持力度，按照5年测算，和精准医学媲美应该是可以的，因为微生物组计划（本身就是人类基因组计划的延续）研究成果转化的潜力极大（典型的例子：1、重要的抗生素都是从细菌中发现的，几乎拯救了人类；2、当前火热的CRISPR-Cas基因组编辑技术本身就是细菌的一个重要的生物学特性），这要看国家支撑部门的魄力有多大。

最后，要强调一下，中国和国际上微生物组研究的差距不仅仅是测序仪的差距，微生物组计划不是要开启烧钱模式来做，而是应该多学科的研究者共同努力，做好全面而科学的规划。

参考数据库的建立尤为关键

缺乏本底正常参考信息，这是针对中国人群肠道微生物组研究的最大问题，也是未来我们必须面对并解决的问题。解决这个问题的重要性和必要性，是那些只考虑发表paper的研究是无法比拟的（即使是CNS文章），也是我们在2008年底开启肠道微生物组研究遇到的首要问题。

如果我国能够实施自己的人类肠道微生物组计划，解决这个问题是第一要务，而不是追求发表CNS文章，因为有了这个参考，我们才能更好地发现与中国人群健康和疾病密切相关的特定的肠道微生物态改变。

当前，HMP的健康数据，如果不是人家圈内的成员，基本是不可能拿到的。MetaHit也一样，现在他们发现5000人的群体数量无法覆盖整个欧洲的本底参考，正在实施10000人的群体的本底调查，目的和我们说的一致，就是为人家的研究服务，相应的，这样的正常本底信息不会轻易让我们获得的，也不会轻易公开发表的。

针对特定文章发表的参考对照，那只是case-study的范畴，根本没有普遍意义，只适合发表文章而已。

健康肠道微生物组的标准(B?ckhed et al. 2012)以及如何采样和设计试验(Sinha et al. 2015)以及肠菌培养、无菌鼠试验(Goodman et al. 2011)，已经给予我们更好的指导，但是，我们需要结合这些东西，设计更为精密可控的方案，才能达到我们的目的，同时也才能取得突破性的研究成果。

另外，在我们2013年发表在AJG杂志的文章对于健康参照（我们是源于“正常人肠粘膜细菌空间异质性研究”的健康个体(Zhang et al. 2014)）、肝硬化患者筛选以及肝硬化患者并发肝性脑病患者的筛选中做了严格的控制，应该是极其严谨的受试者选择和样本收集，可以供参考。