宏基因组学（metagenomics）或称群落基因组学，是一门通过直接测定样品中所有微生物的核酸序列来分析微生物群落的生长情况，避免环境变化对于微生物序列影响的学科^[1]。随着测序技术和宏基因组学的发展，人们对微生物群落有了进一步的认识，逐步了解到不同环境间基因型与表型的差异。随着宏基因组学的兴起与测序技术的不断改进以及生物信息的高速发展，人们开始对于个体不同健康状态和人体不同部位的大量宏基因组样本数据进行分析，特别是人体的肠道、口腔、皮肤等组织中的微生物种群，逐渐阐明新发现的细菌和人类健康之间的关系。宏基因组学的兴起，离不开测序技术的支撑。不过，从提取细菌核酸、选择扩增高变区和引物^{[2 – 3]}，到核酸依赖性扩增检测技术的应用以及后期数据处理分析，仍有可改进之处。本文针对宏基因组学的发生发展以及目前宏基因组学与人类健康关系综述如下。

1998年，Handelsman和他的团队在研究土壤微生物时，第一次提出宏基因组学概念^[4]，并称其为环境中全部微小生物遗传物质的总和。随后加州大学伯克利分校的研究人员Kevin等对它进行了定义^[5]，即直接应用基因组学技术研究自然环境中的微生物群落，无需分离培养单一菌株。人们对于微生物群落的早期研究，由于培养条件的限制，一般只能依据微生物的生理特性，通过如革兰染色法等标记技术^[6]，对微生物群落进行分类。这种传统方法只能检测到在实验室条件容易生长的微生物物种（如大肠杆菌），可是大多数微生物物种并不能生长于实验室条件中，从而限制了人们对于微生物群落的研究。直至1980年，发明以DNA为基础的免培养方法^[7]，突破了微生物培养方面的限制，为后来宏基因组学的出现奠定了基础。

最早的宏基因组分析通常采用荧光原位杂交技术，目的常为未检测且未报道过的DNA群体^[8]，而且该技术一开始只限定在16S rRNA的标记基因^[9]。新一代高通量测序技术^[10]的出现，效率远远高于传统的DNA测序技术，人们对于宏基因组学的研究也逐渐增多和深入。对于宏基因组学的生物解释，需要依靠复杂的计算分析，尽管随着科技不断发展，技术层面已经取得了很大进步^[11]，但在测序可重复性以及成本方面仍需改进。

由于肠道菌种多样性以及菌群结构的稳定性与平衡性，肠道菌群对于人体健康稳态的维持和胃肠道系统稳定起着重要作用^[12]，肠道微生物群落对人体特异性免疫和非特异性免疫的成熟有利^[13]。研究发现，剖腹产婴儿出生后6个月内，肠道中拟杆菌属和双歧杆菌属的定殖率较自然分娩婴儿低^[14]，而双歧杆菌影响着婴儿胸腺发育和免疫功能，可导致相关疾病，而且这种由于菌群差异造成的影响可持续至成年阶段^[15]。在人体胃肠道内定植的菌群大约有1 000种^[16]，其中以拟杆菌门及厚壁菌门为主^[17]。拟杆菌门为严格厌氧的革兰阴性菌，是人体胃肠道的优势菌群之一，可分为拟杆菌、普雷沃菌和卟啉单胞菌3大类^[18]。拟杆菌具有发酵碳水化合物、参与胆汁酸和类固醇代谢、多糖代谢、维持肠道正常生理功能，对人体健康影响重大^[19]。厚壁菌门是人体及高等哺乳动物肠道内一大类细菌，为革兰阳性厌氧菌^[20]。研究发现，肠道菌群能够连接人体多条代谢通路，以多种方式影响着人类健康，肠道菌群紊乱同糖尿病、衰老、肥胖症、精神性疾病和肿瘤等疾病^[21]有关。

探讨肠道菌群与2型糖尿病发病机制之间的关系，是目前2型糖尿病研究的新视角^[22]。2016年，科学家第一次发现肠道菌群可通过分泌蛋白质干预糖尿病的发生发展。表明肠道菌群与2型糖尿病发生发展密切相关^[23]。Larsen等^[24]发现，在大多数2型糖尿病患者的肠道内，厚壁菌门与梭菌门微生物的比例明显降低，而拟杆菌门与厚壁菌门微生物的比例明显升高，对血糖水平具有保护作用的双歧杆菌数量明显减少^[25]。与正常人比较，2型糖尿病患者肠道内的乳酸杆菌数量增加，梭状芽孢杆菌数量降低^[26]。

研究发现，肠道中每增加20 %的厚壁菌门微生物，相应的就会减少20 %的拟杆菌门微生物，同时机体会增加150 kcal热量，可用肠道内厚壁菌门与拟杆菌门微生物数量的比值，作为衡量肥胖的新指标^[27]。虽然目前并没有报道明确指出肠道菌群紊乱导致肥胖的发生，但是已经有大量实验证据表明肠道菌群影响着机体对脂肪的合成和堆积，并调节机体的能量代谢、免疫系统和炎性反应^[28]。因此，研究肠道菌群对于肥胖症发病机制的影响，可以为治疗相关疾病开辟新的方向。

许多研究表明，人体的消化道肿瘤如肝癌^[29]、胃癌^[30]、大肠癌和结直肠癌均与肠道菌群存在重要关联^[31]。如在结直肠癌患者中，其肠道黏膜中的卟啉单胞菌属、梭杆菌和消化链球菌增多，双歧杆菌减少^[32]。有研究发现，一些特殊的菌群不利于肿瘤的治疗^[33]。研究不同肿瘤的发生发展以及治疗过程中肠道菌群的变化及机制，可为肿瘤治疗提供更加对症的疗法。

人类口腔中存在着重要的微生物环境，由于口腔本身复杂的解剖结构和生理特点，其中的微生物群落错综复杂。传统的细菌培养技术，只能培养口腔中极少数的菌群，明显限制了口腔微生物的相关研究。宏基因组学可通过高通量测序技术，获得口腔样本中所有目标基因序列，可从基因水平研究口腔微生物群落^[34]。正常情况下，人体口腔菌群处于平衡状态，一旦菌群发生失调，龋齿、牙周脓肿以及牙周炎等口腔疾病则可能发生^[35]。目前，能够在人类口腔中鉴定出700多种细菌^[36]，主要分为厌氧菌和需氧菌，其中有一种变异链球菌与龋齿的形成关系密切，另一类细菌如乳杆菌也能促使牙质与牙釉质钙丢失而造成龋齿^[37]。人体口腔菌群中以普氏菌属数量最多，这种菌属会导致牙周脓肿以及牙周病的发生^[38]。此外，口腔中还存在着幽门螺杆菌，幽门螺杆菌是到目前为止，唯一可从胃中分离出并进行培养，与胃癌发生密切相关^[39]。由于传统微生物培养方法和菌斑指示剂有着很大局限性^[40]，很多科学家利用宏基因组学技术对口腔菌群进行研究，并有所发现，它使人类能够对口腔微生物的组成、结构以及功能了解更为深入。

随着科技进步，人们对于自身的健康愈发关注。宏基因组学的兴起，在人们日常生活环境中的微生物群落与人类健康之间建立了联系，吸引各领域各专业越来越多的科学家去研究这些菌群，并对疾病的发病机制与微生物菌群之间关联进行更加细致深入的研究，为疾病的治疗提供新的方向。由于传统宏基因组的测序长度不够，目前还不能对高度重复序列进行检测。测序技术虽然发展到了第3代，但检测成本仍然偏高，在提高检测效率同时，节约成本也是今后研究的重点。