人体肠道微生物组如何影响全身健康及功能解析路径

人体肠道内栖息着数以万亿计的微生物，这些微生物共同构成的肠道微生物组被称为人体“第二基因组”。其复杂的生态结构与功能网络，不仅参与食物消化吸收等基础生理过程，更与免疫调节、代谢平衡乃至精神状态等诸多生命活动密切相关。

肠道微生物组的核心价值在于通过基因编码的蛋白质与宿主形成动态互作。这些微生物携带的上千万个基因所编码的蛋白质，可合成维生素、短链脂肪酸等有益代谢产物，也能通过信号传导调控宿主生理功能。但长期以来，微生物蛋白质的进化多样性给功能解析带来巨大挑战，大量“功能暗物质”的作用机制始终处于未知状态。

图：基于蛋白质结构组的人体肠道微生物功能研究示意图（注：图示呈现肠道细菌、噬菌体及其编码蛋白质的结构关联，以及结构检索技术解析功能暗物质的核心流程）

一、肠道微生物组的核心功能维度

（一）消化代谢的协同调控者

肠道微生物可分解宿主无法直接消化的膳食纤维、多糖等物质，将其转化为可吸收的小分子营养成分。例如，双歧杆菌、拟杆菌等有益菌能降解膳食纤维产生丁酸等短链脂肪酸，为肠道上皮细胞提供能量，同时调节肠道pH值，营造不利于有害菌滋生的环境。部分肠道细菌还能参与褪黑素等生物活性物质的合成，通过代谢产物影响宿主昼夜节律与睡眠质量。

（二）免疫系统的发育与激活剂

人体约70%的免疫细胞集中于肠道黏膜，肠道微生物组是免疫系统正常发育与功能维持的关键因素。健康的菌群结构可促进肠道黏膜屏障成熟，增强屏障完整性，阻止未被完全消化的食物大分子或细菌毒素进入血液循环。同时，微生物通过与免疫细胞的相互作用，训练免疫系统区分“自身”与“外来病原体”，避免过度免疫反应或免疫缺陷的发生。

（三）肠-脑轴的关键信号媒介

肠道微生物组通过“肠-脑轴”这一双向通信通路调控大脑功能与情绪状态。微生物可合成γ-氨基丁酸、5-羟色胺前体等神经递质，这些物质经血液传输至大脑后，直接影响情绪调节、认知功能与睡眠状态。菌群失衡时，神经递质的合成与传递会发生紊乱，进而增加焦虑、抑郁等精神症状的发生风险。

二、肠道微生物组功能解析的技术突破

（一）结构检索：破解功能暗物质的新范式

传统功能解析依赖序列同源性比对，但面对进化多样性极高的微生物蛋白质往往失效。中国科学院深圳先进技术研究院团队建立的蛋白质结构组检索方法，为突破这一瓶颈提供了新路径。该方法利用蛋白质三维结构在进化中更保守的特性，通过构建涵盖968个肠道细菌和1255个肠道噬菌体基因组的蛋白质结构组数据库，实现对“功能暗物质”的高效预测。

（二）人工智能技术的赋能应用

研究团队开发的Dense Enzyme Retrieval（DEER）人工智能方法，融合结构信息的蛋白质语言模型与对比学习技术，可快速、精准识别肠道菌源的宿主同工酶。该方法性能达到现有技术最优水平，成功在青春双歧杆菌、多氏拟杆菌中发现参与褪黑素合成的关键酶，首次揭示肠道微生物的褪黑素合成途径。此外，通过结构聚类技术，团队还识别出多种具有靶向裂解肠道致病菌活性的噬菌体裂解酶，为肠道感染的精准治疗提供了新工具。

三、肠道菌群失衡的诱因与全身影响

（一）菌群失衡的主要诱发因素

饮食结构不合理是导致菌群失衡的首要因素，长期高糖、高脂、低纤维的饮食会促进有害菌繁殖，抑制有益菌生长。滥用抗生素则会对肠道菌群进行“无差别攻击”，在杀灭致病菌的同时破坏有益菌群落，甚至诱导有害菌产生耐药性。此外，长期熬夜、精神压力过大、缺乏运动等不健康生活习惯，会扰乱肠道微生物的昼夜节律与生存环境，间接引发菌群失衡。

（二）菌群失衡的全身性危害

菌群失衡不仅会引发腹泻、便秘、腹胀等消化系统症状，更会通过“肠漏”等机制诱发全身性问题。失衡的菌群会破坏肠道黏膜屏障，导致细菌毒素进入血液循环，引发慢性炎症；通过影响胰岛素敏感性、脂肪储存机制，增加肥胖、2型糖尿病等代谢性疾病风险；通过肠-脑轴紊乱，加剧焦虑、抑郁等精神障碍；甚至通过代谢产物促进血管斑块形成，威胁心血管健康。

肠道微生物组的复杂功能网络仍有诸多未知领域等待探索，其与宿主互作的深层机制、不同人群菌群结构的差异特征、菌群失衡的精准干预方案等，都需要更多跨学科研究的支撑。对于个体而言，理解肠道微生物组的重要性，或许能为健康生活方式的选择提供新的认知视角——我们与这些微小生命的和谐共生，本身就是生命健康的重要基石。

常见问答

1. 问：肠道微生物组中的“有益菌”主要包括哪些？它们的核心作用是什么？ 答：常见有益菌包括双歧杆菌、乳酸杆菌、拟杆菌等。核心作用是分解膳食纤维产生有益代谢产物、调节肠道pH值抑制有害菌、促进肠道黏膜屏障成熟、参与免疫调节与神经递质合成等。

2. 问：为什么滥用抗生素会严重破坏肠道菌群平衡？ 答：抗生素不具备精准识别致病菌与有益菌的能力，会对肠道菌群进行无差别杀灭。这不仅会导致有益菌数量锐减，破坏菌群生态结构，还可能诱导有害菌产生耐药性，进一步加剧菌群失衡，且这种破坏可能需要长期时间才能恢复。

3. 问：肠道菌群失衡与情绪问题有什么关联？ 答：二者通过“肠-脑轴”实现关联。肠道微生物可合成γ-氨基丁酸、5-羟色胺前体等神经递质，这些物质直接影响大脑情绪调节功能。菌群失衡时，神经递质合成紊乱，会导致情绪调节机制失衡，增加焦虑、抑郁等问题的发生风险。

4. 问：蛋白质结构组检索方法与传统序列比对方法相比，优势在哪里？ 答：传统方法依赖基因序列同源性，面对进化多样性极高的微生物蛋白质时失效，无法解析大量“功能暗物质”。蛋白质结构组检索方法利用蛋白质三维结构进化保守性的特性，可突破序列同源性限制，大幅提高噬菌体蛋白、菌源宿主同工酶等功能蛋白的预测效率与准确性。

5. 问：日常生活中如何维护肠道菌群平衡？ 答：核心在于保持健康生活方式，包括：摄入高纤维、低糖低脂的饮食，为有益菌提供营养；避免滥用抗生素，如需使用需遵医嘱；规律作息、减少熬夜，维护肠道微生物昼夜节律；适度运动，促进肠道蠕动与有益菌生长；保持良好心态，减轻精神压力对菌群的负面影响。

6. 问：肠道菌群失衡为什么会影响代谢，导致体重异常？ 答：肠道微生物参与人体能量吸收与脂肪储存过程。菌群失衡时，有益菌减少会降低膳食纤维分解利用效率，而某些有害菌则会促进脂肪合成与储存，使身体更易从食物中“榨取”能量。这种代谢紊乱会导致体重异常波动，出现即使控制饮食运动仍体重上升，或消瘦、营养不良等情况。