有声专栏-宏基因组专业词汇讲解——001宏基因组

时间  2021-01-06

宏基因组专业词汇讲解——001宏基因组

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对于刚接触宏基因组的同学，想必有很多概念不明白，那么接下来就让我带领大家走进宏基因组。今天先让我们系统的认识一下宏基因组。

宏基因组基本概念

自然界中存在数量巨大、种类繁多的微生物，人类目前仅分离培养了其中很小的一部分。如何清楚的认识环境样品中微生物群落的组成和功能基因是困扰大家多年的难题，近年来随着新一代测序技术发展而来的宏基因组技术解决了这一难题。

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图1. 生命之树(宏基因组技术极大的扩展我们所了解的生命之树)。2016 nature microbiology

宏基因组英文metagenome，早期也被称为元基因组。其含义分为广义和狭义两种。广义的宏基因组或宏基因组学泛指研究微生物群体组成、功能基因、代谢产物的学科、以揭示微生物组组成结构、微生物组与宿主、微生物组内的相互作用关系。

狭义的宏基因组，即宏基因组DNA测序技术——仅指对微生物群落DNA进行高通量测序，鉴定群体中所有功能基因的种类和丰度。该方法又分为实验和分析两个阶段，实验阶段主要包括样本采集、DNA提取、高通量测序；数据分析阶段主要包括序列质量控制、组装、基因预测和定量、物种鉴定、样本组间差异功能基因和通路的比较等。

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图2. 宏基因组DNA测序和分析流程。2012 Microb Inform Exp

宏基因组常用技术

宏基因组学是一门基于技术发展而来的学科，我们浅谈一下本领域常用的技术手段。

宏基因组按研究技术手段和层面 上的不同，主要分为扩增子测序、宏基因组、宏转录组、宏病毒组、宏表观组、宏蛋白组和宏代谢组几大类：

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图3. 扩增子(a)、宏基因组(b)、多组学(宏基因+宏蛋白+宏代谢c)研究范围。2016 nature reviews urology

最常用的是扩增子和宏基因组测序技术。

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图4. 展示常用的16S扩增子、宏基因组、宏转录组和宏病毒组的技术路线。

扩增子测序——以DNA为研究对象，使用PCR扩增一类微生物共有的Marker基因，以揭示目标群体的组成与丰度；常用的有16S rRNA基因测序研究细菌古菌的组成(即人们常说的16S测序)、ITS/18S测序研究真菌、原生动物等真核生物组成、nifH基因测序研究固氮相关微生物群体等；优点是简单快速、成本低、分析方法成熟；缺点是只能反映群落组成，无法获得进一步的功能基因信息。目前常用的测序平台有Illumina Hiseq2500和MiSeq等。

宏基因组测序——是指对研究对象中所有DNA进行测序，其中会有细菌、古菌、原生动物、病毒、真菌和宿主基因组，DNA不需要进行PCR扩增，测序结果具有较好的无偏性，不仅可以提示微生物群落的物种组成，更能获得功能基因组种类和丰度。但分析过程的难度和硬件要求较高，而且结果中功能基因很难与物种对应，是机遇与挑战并存的领域。目前主要采用HiSeq X Ten, NovaSeq等产出数据，人类肠道有较好的参考基因集，其它物种和环境的研究仍需较大的计算工作量，目前主要在有一定软硬件基础的实验室开展，或外包生物类公司。

此外还有很多新兴的技术领域，如：

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图5. 宏基因组常用技术的研究层面及相互关系

宏转录组——以RNA为研究对象，揭示微生物群落整体的转录样式、更能提示群落目前的生活状态。

宏病毒组——发现微生物群落中所有病毒，需要同一个样品分别进行宏基因组和宏转录组测序，因为病毒主要分类DNA病毒和RNA病毒两大类。

宏表观组——研究微生物群体水平DNA、RNA表观遗传学修饰，如2017年末纽约西奈山医学院的房刚老师在Nature Biotechnoloy中发表宏基因组中测序DNA腺嘌呤甲基化(6mA)的研究属于此领域的技术先锋，发现6mA可用于区分测序结果中不同细菌的基因组与质粒。

宏蛋白组——研究微生物群体中蛋白的组成。

宏代谢组——研究对象中的所有代谢物的组成。

宏基因组研究对象

按研究对象，主要分为人类宏基因组、动物宏基因组、植物宏基因组和环境宏基因组等；

宏基因组研究的优点和不足

宏基因组学最大的优势，是研究特定环境中的总DNA，不是某特定的微生物或其细胞中的总DNA，不需要对微生物进行分离培养和纯化，这对我们认识未培养微生物提供了一条新的途径。发现了许多新的微生物种群和新的基因或基因簇，通过克隆和筛选，获得了新的生理活性物质，包括抗生素、酶以及新的药物等。

但由于研究对象的复杂性，宏基因组研究中仍有很多难点和技术，如无法分辨差异功能基因的来源、目标菌种无可用资源无法深入研究等，也正说明了宏基因组领域仍处在发展的初级阶段，有待相关测序技术、分析方法的进一步发展。

今天的讲解就先到这里，相信大家对宏基因组己经有了一个系统的认识。进一步学习本领域知识，欢迎关注“宏基因组”公众号。

参考文献

  1. 宏基因组 https://baike.baidu.com/item/宏基因组
  2. 宏基因组学 https://baike.baidu.com/item/宏基因组学
  3. Metagenome = Metagenomics https://en.wikipedia.org/wiki/Metagenomics
  4. Nat Biotech: 宏表观组—DNA甲基化辅助宏基因组binning
  5. The microbiome of the urinary tract—a role beyond infection http://www.nature.com/nrurol/journal/v12/n2/full/nrurol.2014.361.html
  6. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%83%E5%9F%BA%E5%9B%A0%E7%B5%84%E5%AD%B8
  7. A new view of the tree of life, 2016, nature microbiology
  8. Torsten Thomas, Jack Gilbert, and Folker Meyer - Thomas T, Gilbert J, Meyer F (2012). Metagenomics-a guide from sampling to data analysis. Microb Inform Exp, 2(3)

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