简介

宏基因组学(metagenomics)是通过非微生物培养的方法对环境中微生物菌落进行调查研究的一门新兴学科,其主要研究对象为菌落中的细菌、古细菌、真菌和病毒等微生物,其主要目的是通过对微生物菌落中微生物的多样性、种群结构及其动态改变、各成员之间相互关系及与环境之间的相互关系等方面的分析,揭示更深层次的遗传与进化规律。以Roche 454 和Illumina Hiseq 为代表的二代高通量测序技术,成功实现了高通量和低费用的有效结合,将宏基因组学研究推向了前台。不同于第一代以Sanger 末端终止法为原理的测序技术,第二代测序技术基于边合成边测序的理念,为宏基因组学研究提供了新的理想研究方法。高通量测序的方法无需分离环境中各种微生物,也无需构建克隆文库就可以直接对环境中所有微生物进行测序。可以真实客观的反映环境中微生物的多样性、种群结构、进化关系等。与传统方法相比,基于高通量测序的宏基因组研究无需构建克隆文库,这避免了文库构建过程中利用宿主菌对样品进行克隆而引起的系统偏差,简化了实验操作,提高了测序效率,从而极大地促进了宏基因组学的发展。

16S/18S rDNA测序与宏基因组测序的区别:16S/18S rRNA基因测序以细菌16S rRNA 或者真菌18S rRNA 基因测序为主,核心是研究样品中的物种分类、物种丰度以及系统进化。宏基因组测序以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象,直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,构建宏基因组文库,利用高通量测序技术分析环境样品所包含的全部微生物的群体基因组成及功能和参与的代谢通路,解读微生物群体的多样性与丰度,探求微生物与环境,微生物与宿主之间的关系,发掘和研究新的、具有特定功能的基因。

宏基因组研究有着广泛的应用前景,其中主要表现在以下几个方面:

进化分析:例如物种之间的差异既有该物种本身基因组的差异,也有与其伴随的微生物的差异,某些相关微生物与宿主之间是共生关系;物种间的共生关系导致物种间水平基因转移的机制及其意义的阐明都将对生物物种的进化理论产生重要的影响。

基因发现:传统的方法是在基因装配的基础上预测基因的存在,然后通过同源基因的比对和实验验证来确认基因的发现。对于宏基因组而言,由于测序的主要成分为多物种的混合物,通过基因组的装配拼接来实现新基因的预测。然而无论基于现有的哪个软件,所预测的基因的实验验证依然是个主要问题。

环境与生态研究: 土壤微生物研究中的应用,进行土壤微生物及其资源的挖掘,揭示土壤微生物的多样性及其与环境之间的关系。在水体中的应用,多种海洋次生代谢产物合成途径,其中最为经典的是研究海洋聚酮类和非核糖体肽类的生物合成基因簇。

疾病和个体化医疗:大量的研究证据显示,人体微生物的种群和多样性与人体疾病的发生有着显著的相关性,例如肥胖、心血管疾病和肿瘤等。人类微生物组计划(Human microbiome project)的调查显示,肠道微生物中存在大量与药物代谢和分解相关的细菌,提示在个体化医疗方面不仅仅要考虑宿主基因组中药物的代谢相关基因,同时也需要考虑到消化道中微生物群落的存在和组成。

1.Metagenomics建库流程

2.Metagenomics分析流程

3.Metagenomics分析结果展示

FIG1. abundance_heatmap

FIG2. GraPhlAn_treemap

FIG3. lefse_biomarkers

FIG4. lefse_biomarkers_cladogram

FIG5. TD_vs_BM_tree

Single-Cell Transcriptome Analyses Reveal Signals to Activate Dormant Neural Stem Cells

Single-Cell Transcriptome Analyses Reveal Signals to Activate Dormant Neural Stem Cells

1. 在微生物组中的差异,与各种身体部位的癌症发展有一定关联,包括胃、肠、肝、肺和皮肤。 2. 越来越多的证据表明,乳腺微生物组中的变化,可能与肿瘤的发展和肿瘤侵袭性有关,并且,消除危险的微生物或恢复正常的微生物群,可能会逆转这一过程。

Growth Factor FGF2 Cooperates with Interleukin-17 to Repair Intestinal Epithelial Damage

肠道微生物在营养吸收和人体免疫系统的发展过程中起到根本作用,而且肠道微生物与宿主间的共生关系在维持肠道内稳态中至关重要。肠道上皮受损后如果无法适当的修复将导致菌群结构失调,进而引发炎症反应,并最终引发炎性肠道疾病(IBD)或结直肠癌(CRC)。然而,对于肠道上皮损伤后如何修复重建肠道内稳态,以避免失调导致的疾病,我们仍然知之甚少。因此,本文旨在阐明菌群驱动的生长因子FGF2与白介素IL-17是如何协作促进修复受损的肠道上皮屏障的。

Temporal Stability of the Human Skin Microbiome

本研究利用宏基因组手段,对12位健康人,3个不同取样时间点,17皮肤部位进行了研究。结果显示尽管不同皮肤部位的理化性质不同,但是细菌整体随时间变化较稳定。足部皮肤的微生物群落可变性最高。瞬时物种主要是真核生物的病毒。不同部位的皮肤微生物群落研究为疾病状态提供了新的提示。

Interconnected microbiomes and resistomes in low-income human habitats

通过分析两年中来自27个家族中的115个人类的263个样本,以及与209个环境样本进行比较。联合使用16S测序、高通量功能宏基因组筛选以及全宏基因组鸟枪法测序技术,比较微生物种群和相关耐药基因组的系统发生结构。

Early life dynamics of the human gut virome and bacterial microbiome in infants

近期的Nature Medicine杂志来自美国华盛顿大学(St. Louis)医学院的一项最新研究发现,细菌可不是婴儿出生后“入侵”肠道的唯一生物种类,病毒也会“趁虚而入”,它们都对人体健康有着重要的影响。该研究分析了8名健康婴儿从出生到两岁的粪便样品,从而跟踪其肠道微生物组和病毒组的变化规律,,堪称肠道病毒组研究开山之作之一。

Alterations of the human gut microbiome in liver cirrhosis.

人们的肠道中存在着大量微生物,正常粪便中有超过三分之一的物质是这些微生物的菌体。肠道菌群中不同菌种所占的比重,以及每个菌种所处的不同生活状态,都可能反映乃至影响人体的健康状态。肝硬化作为备受重视的全球性疾病。肝脏通过肝门以及胆汁分泌系统与肠道相通。肝硬化会对肠道微生物造成什么影响,而肠道菌群的变化,又如何左右肝硬化的病情发展?一篇最新的《Nature》论文对此进行了深入研究。

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