知菌知病——宏基因组精准健康的未来

1、了解微生物研究的最新进展
2、了解宏基因组学相关研究的设计原则和注意事项
3、了解微生物和健康的关系及其在公共卫生问题上的意义
4、了解基于宏基因组研究可能的新兴行业及其前景展望

人体共生微生物已被证实与多种复杂疾病有关，对共生菌群的研究，不仅可以规范个人健康管理，也能为公共卫生政策的制定提供指导。本书主要围绕人体共生微生物的致病机理，讲述从出生到衰老的各个阶段，人体各部位（肠道，口腔/呼吸道，皮肤及生殖道）的共生微生物如何随着环境、饮食、免疫反应等发生改变。书中介绍了微生物中包含了哪些对预测疾病风险有帮助的信息，讨论了随着高通量测序的成熟，微生物关联分析实验的设计原则，例如微生态，因果推断等。每章配有开放性的思考题，用来启发读者结合自身领域，思考宏基因组学潜在的应用场景。

李莹，重庆师范大学生物化学与分子生物学硕士，从事基因组学与宏基因组学科研项目管理工作十余年，作为致力于宏基因组学领域前沿技术开发与应用研究顶级团队的一员，多次撰写校对本领域研究材料，对如何向广泛的受众传达细致专业的基因组学知识有独道深刻的认知和理解。

第1章　超有机体——微生物与宿主共生 1
1.1　溯古追源——新技术带来的新发现 1
1.2　人体内有多少微生物细胞？ 8
1.3　人体中的病毒微粒 14
1.4　其他物种中的微生物组 15
1.5　来自远古的微生物组 15
1.6　总结 18
第2章　微生物群落生态 21
2.1　宏观生态学中的营养级 21
2.2　微生物群落稳定性、多样性及丰富度 22
2.3　皮肤微生物的几种不同生境 27
2.4　影响口腔微生物的因素 29
2.5　一个稳定的肠道菌群 32
2.6　肠型和塞伦盖蒂法则 38
2.7　总结 41
第3章　宏基因组样本收集 55
3.1　样本中非微生物的部分，会影响DNA提取和测序量 55
3.2　对于粪便及生物量较低的宏基因组，要注意减少采样过程中
每一步的污染 57
3.3　采样后，防止微生物增殖的试剂 62
3.4　对于宏基因组样本的DNA提取方法 63
3.5　测序量 64
3.6　分类和功能概况，以及绝对丰度 65
3.7　宏基因组关联分析的样本量 66
3.8　总结 69
第4章　人体中的流行病学 79
4.1　和新型冠状病毒疫情类比 79
4.2　婴儿肠道共生菌的来源 81
4.3　共生微生物的异位存续 82
4.4　病灶部位菌群 82
4.5　微生物组中的跨界相互作用 89
4.6　其他显示微生物存在差异的组学数据 90
4.7　总结 94
第5章　演化中的微生物分类 102
5.1　对于常规应用的固定参考集 102
5.2　随着分类单元精度提升，数据变得稀疏 110
5.3　物种水平以下的微生物演化历程 112
5.4　全细胞模型以实现从基因组到功能的完整预测 116
5.5　总结 118
第6章　共生微生物的疾病因果关系 124
6.1　因果推断 124
6.2　人类微生物和疾病之间关系的当前证据等级 129
6.3　从微生物到分子 132
6.4　总结 137
第7章　宏基因组的临床应用 145
7.1　疾病筛查领域的宏基因组研究 145
7.2　临床实践启发深入研究 157
7.3　利用微生物组知识重新定义现有疾病分类的可能性 159
7.4　总结 161
第8章　微生物档案描绘生命轨迹 173
8.1　在重要阶段进行前瞻性微生物采样 173
8.2　从基因风险到疾病预防 180
8.3　总结 182
致　谢 195

从意识到自身肉体之躯蕴藏着数以十万亿计微小生命的那一天起，人类就没有停止过对它们的探索。17世纪的欧洲经济重镇荷兰代尔夫特，孕育出了列文虎克这样醉心科研的跨界人才，拉开了微生物研究序幕，300多年后的21世纪，我们终于迎来新技术的重大突破——低成本的高通量测序，这才帮助人体共生微生物研究正式迈入高速发展赛道。
越来越多的研究成果表明，对人体自身及外环境的研究无法完全解释疾病发生发展的机制，解开这个难题的关键性钥匙很可能藏在人体共生微生物与健康的探索研究当中。作为研究共生微生物最重要的创新方法，以宏基因组学为代表的多种组学新兴学科均具备多领域交叉融合的典型特征。开展组学研究必须面对的海量碎片化数据的获取、处理与挖掘，对传统研究人员来说无疑困难重重。科研工作开始之初，研究者通常要面对一系列宏基因组学相关的通识性问题，如什么是微生物群落与微生物组？如何科学高效地收集宏基因组学样本？不同部位人体共生微生物种群有什么特点？病原菌与共生微生物之间的界限又在哪里？为了解答这些问题，一本化繁为简再以简驭繁的研究指导应运而生。本书原作者贾慧珏博士作为共生微生物领域国际知名科学家，有感于跨领域研究者们与新兴学科初接触时的疑惑与困扰，将10年来前沿实践经历心得提炼归纳，集结成书，希望能帮助到打算开展人体共生微生物研究的人员，对其科研思路从无序到有序的转变过程进行引导。
本书总结了从微生物组角度研究人类健康和疾病的原理。在人的一生中，粪便、口腔、鼻腔、阴道和皮肤样本中的微生物组包含可以预测未来疾病风险的重要信息。组织样本中也含有与疾病相关的微生物。微生物组连接了遗传和环境因素，有望极大地促进精准医疗，包括预防、诊断和有效治疗许多复杂疾病。
本书基于传统微生物学，并结合高通量测序的更全面的视角，提出了关于人体内微生物细胞总数及其分布的关键问题，同时考虑了宏观生态学和因果推理的概念。书中专门介绍了各种方法，提供了关于收集宏基因组学研究样本时重要考虑事项的实践信息。
本书的重要特色在于提供了基于超过10年人类微生物组研究的框架，用于研究不同身体部位的微生物组为希望了解与人类健康相关的微生物的读者整合了相关信息，阐明了为什么可能希望在当前或未来的研究努力中包括微生物组研究提供了设计和进行微生物组研究和应用的技术考虑。
本书的撰写初衷是为广大医学生与医学工作者提供一本入门指导工具书，读者可以从中找到新手需要关注的所有基本要点。值得一提的是，全书提纲框架打破了按人体部位分类介绍的常规模式，开创性地从开展一项全新研究的角度，沿着研究方案设计的思维脉络徐徐展开。传播信息的同时，还分享了成熟科研工作者应该具备的思考问题的方式。作为一名宏基因组成果转化从业人员，译者在深入精读全书的过程中感受到了拓宽思路与精准提问带来的精神快感，而书中关于共生微生物间条件性互助或竞争关系的介绍充满了生物本能的智慧，给译者的工作乃至生活都带来了新的启示。为了把这样一本内容翔实且深入浅出的科普向书籍更好地介绍给大家，译者在翻译的过程中自行补充了许多解释说明，希望能为无论是来自泛理工科，还是较少接触专业工具书的潜在读者提供满意的阅读体验。
《宏基因组的精准医学未来》为译者参与完成的第一本宏基因组学指导书籍，虽然书中没有涉及主要为工具性质的计算机语言与程序编写相关教程介绍，却无法绕过数学与统计学的方法描述直接展示结论。在翻译的过程中，译者尽了最大努力去请教专业人员学习解释相关术语，如有错漏，敬请广大读者批评指正。
原版措辞审慎，逻辑清晰，用一种极简而不失趣味的方式，条理分明地介绍了共生微生物研究冗长纷杂的发展历史，并将爆发式增长的研究成果进行了总结升华。非常推荐对本书感兴趣的大家阅读原版，感受原作遣词造句中的严谨与简约之美。

译者　于深圳
2022年7月