宏基因组与宏基因组学

宏基因组学诞生于上世纪90年代,是指不经过微生物培养阶段,采用直接提取环境中总DNA的方法,对微生物基因总和进行研究的一门新学科.宏基因组技术的出现,使得人们对占微生物总体99%以上不可培养微生物的研究成为现实,微生物基因的可探测空间显著增大.总的来说,目前宏基因组技术的应用主要分为两个方面:一方面是筛选功能基因,开发具有所需功能的蛋白;另一方面是通过对宏基因组文库进行分析,探讨在各种环境下微生物间相互作用和微生物与周围环境间相互影响的规律,以便我们能更加客观、全面地认识微生物世界.在宏基因组技术的应用范围被不断扩展的同时,围绕着宏基因组文库的构建和筛选、测序和分析等方面的研究已成为宏基因组学发展的主要推动力,宏基因组技术的进步将不断提升其应用价值.     

宏基因组样本数据的分析比较与分类

宏基因组学研究试图通过测序并分析微生物群落的DNA序列,以理解环境微生物的组成及其与环境的交互作用。宏基因组学革命性地改变了微生物学,使得以免培养的方式研究复杂生物系统中的微生物群落成为可能。第二代测序技术的不断进步和生物信息学的高速发展促进了高通量宏基因组研究的发展,大批高质量的宏基因组数据不断产生并对科学界开放,宏基因组学的重要作用被科学界广泛认可。与此同时,对应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不断产生,使得比较和分类宏基因组样本在微生物学研究上变得更加重要,比较宏基因组学成为宏基因组学的重要分支。主要介绍了宏基因组数据的分析比较,以及样本分类的相关研究和算法。     

临床宏基因组学应用现状及存在问题分析

众所周知,宏基因组学是一种通过提取样品中微生物的总DNA,构建宏基因组文库,研究环境中全部微生物的遗传组成及其菌落功能的方法。而宏基因组新一代测序(metagenome next-generation sequencing, mNGS)是在宏基因组学基础上进一步发展起来的新一代测序技术,无需对患者标本进行培养,直接分析标本中的微生物DNA或RNA。本文介绍了宏基因组学在临床上的应用,包括传染病的诊断、疾病和健康状态下的微生物组分析、人类宿主反应分析和肿瘤相关病毒及其基因组鉴定,并简要探讨了临床宏基因组学研究中所遇到的挑战及解决方法。     

宏基因组学--研究微生物的新策略

2004年7月美国国立卫生研究院牙科与颌面研究中心（NIDCR）专门征集“利用宏基因组学研究口腔微生物”的研究申请书,征集通知中明确其目的是利用宏基因组学（Metagenomic）的技术,研究口腔中微生物群落,以阐明微生物在人类口腔健康和疾病中的作用.     

宏基因组学与动物病原微生物检测

宏基因组学（ metagenome）是直接从土壤、海水、人及动物胃肠道、口腔、呼吸道、皮肤等环境中获取样品DNA,利用载体将其克隆到替代宿主细胞中构建宏基因文库,以高通量检测为主要技术来研究特定环境中全部微生物的基因组及筛选活性物质和基因的新兴学科。利用宏基因组学技术不仅能够有效地检测特定环境的微生物群落结构,扩展了微生物资源的利用空间,发展了新兴的高通量检测技术,丰富了生物信息学内容。基于宏基因组学研究方法在环境微生物研究中的优势,对近年来相关领域、方法及其在人及动物病原微生物研究中的应用进行综述,以期将此方法用于实验动物病原微生物的调查分析及动物疫情、生物安全的监测。     

宏基因组学及其在口腔微生物研究中的应用

宏基因组是指环境中所有微生物的遗传物质总和。宏基因组学技术可以最大限度地利用环境中的微生物资源,受到了国内外微生物研究者的重点关注。口腔中寄居着大量的微生物群落,以往对口腔疾病微生物的研究大多局限于单纯的细菌培养技术,然而,由于培养技术的局限性,部分微生物很难或根本不能培养,宏基因组学技术打破了这一局限性,帮助人类发掘更丰富的口腔微生物资源。最近,以宏基因组学测序为基础的研究描绘出了口腔生态系统的图谱,越来越多的实验证明口腔微生物组在各种口腔疾病甚至全身系统性疾病中的重要作用。同时,这也为基于人类微生物组的诊断和治疗开辟了新的途径。本综述旨在说明宏基因组学是研究人类口腔疾病及全身疾病相关微生物的得力工具,而且具有广阔的发展前景,同时也讨论了宏基因组学在应用中有待克服的局限性。     

病毒宏基因组学研究进展

病毒宏基因组学是一种新的病毒组学研究手段,随着高通量测序技术的飞速发展,人们能够从环境中快速发现、鉴定病毒基因组的组成并研究其特征。在过去的十年里,研究者们运用病毒宏基因组学发现了许多新型病毒,增强了人们对不同环境中病毒组成、分布和多样性的了解。因此,病毒宏基因组学已成为清晰描绘各种特殊环境中病毒图谱、了解自然界中病毒分布动态的有效工具。本文主要从病毒宏基因组的概念、样品前处理和病毒总基因组提取方法、测序技术以及病毒宏基因组的应用和发展前景方面进行概述。     

宏基因组的生物信息分析

基于高通量测序的宏基因组学研究是近年来的研究热点之一。宏基因组的生物信息分析正在逐渐完善成熟．各种分析软件和流程的开发与应用,极大地促进了宏基因组研究的发展,特别是在遗传与进化、基因发现、宏基因组和人类疾病的相关研究等方面取得了显著成果。本文旨在结合宏基因组学的研究内容和研究方向,对宏基因组的生物信息分析方法进行综述,探讨宏基因组的生物信息分析面临的机遇和挑战。     

宏基因组学的研究方法进展及应用概述

宏基因组学是以某一特定环境样品中的微生物群体基因组为研究对象,通过提取DNA、构建文库、文库筛选等基本流程来研究微生物多样性、进化关系以及寻找新基因等为研究目的的新的微生物学研究方法,其总体流程包括环境样品总DNA提取、宏基因组文库构建、宏基因组文库筛选三个阶段。宏基因组学做为一个崭新的技术在微生物生态学、生物酶制剂开发以及医学等方面都取得了可喜的成绩。本文将就宏基因组学的概念、技术流程和应用三个方面作简单介绍。     

环境微生物宏基因组学研究中的生物信息学方法

高通量测序技术的发展促进了组学技术在环境微生物研究中的广泛应用,而宏基因组学是目前最为关键和成熟的组学方法。生物信息学在微生物宏基因组学研究中具有至关重要的作用。它贯穿于宏基因组学的数据收集和存储、数据处理和分析等各个阶段,既是宏基因组学推广的最大瓶颈,也是目前宏基因组学研究发展的关键所在。本文主要介绍和归纳了目前在高通量宏基因组测序中常用的生物信息学分析平台及其重要的信息分析工具。未来几年之内,测序成本的下降和测序深度的增加将进一步增大宏基因组学研究在数据存储、数据处理和数据挖掘层面的难度,因此相应生物信息学技术与方法的研究和发展也势在必行。近期内我们应该首先加强基础性分析和存储平台的建设以方便普通环境微生物研究者使用,同时针对目前生物信息分析的瓶颈步骤和关键任务重点突破,逐步发展。     

肠道微生物功能宏基因组学与代谢组学关联分析方法研究进展

近年来基于高通量基因测序的微生物组学研究极大加深了人们对微生物与健康和疾病关系的认识。然而基因测序方法不能直接测定微生物的功能活性,难以鉴定微生物中的关键功能分子,单独使用无法回答肠道微生物何种成员通过何种方式影响宿主等关键科学问题。单一组学研究弊端尽显,多组学联用势在必行。肠道微生物代谢组学以微生物群落所有小分子代谢物为研究对象,可发现肠道微生物随宿主病理生理变化的关键代谢物,为微生物组-宿主互作机制研究提供线索,成为微生物组学研究的重要补充。肠道微生物功能基因组学与代谢组学关联分析在宿主生理、疾病病理、药物药理等方面取得众多进展,展现良好应用前景。然而目前肠道微生物功能基因组学与代谢组学关联分析存在方法滥用、相关性结论与生物学知识相悖等突出问题。为帮助正确应用肠道微生物功能宏基因组学与代谢组学关联分析,本文综述了各种多组学数据整合分析方法的原理、优缺点与适用范围,并给出了应用建议。     

肠道菌群与结核病之间相关性的研究进展

随着新一代测序技术的发展,肠道菌群成为生物学研究领域的一大热点,特别是肠道菌群与人体各种疾病之间的关系受到广泛关注。目前已有研究发现结核分枝杆菌感染会引起肠道菌群改变,而肠道菌群失调也会增加机体对结核分枝杆菌的易感性,两者通过机体免疫反应、菌群代谢产物等因素相互影响。本文就肠道菌群与结核病的关系、肠道菌群与结核病相互影响的可能机制、抗结核治疗对肠道菌群的影响等方面的相关研究进行综述。     

根际微生物与植物再植病的发生发展关系

植物再植病严重危害农作物的生长发育,形成原因复杂,最新的研究显示它与根际微生态的变化相关,其中主要涉及根际微生物菌群结构的变化。现代高通量测序技术的迅速推广使得根际微生物和再植病间关系成为新的研究热点;本文根据国内外植物再植病病因、根际土壤微生物多样性以及它们与植物生长发育关系等多方面的研究成果,综合分析植物再植病与根际微生物间的关系,以期从根际微生物种群动态变化的角度认识植物再植病的病因并为防治提供新的思路。     

基于机器学习的肠道菌群数据建模与分析研究综述

人体肠道菌群与人类的健康和疾病存在密切关系,对肠道菌群的宏基因组数据进行建模和分析,在疾病预测及诊断相关领域科学研究和社会应用方面均具有重要意义。本文从大数据分析和机器学习的角度,对人体肠道菌群数据的建模、分析和预测算法的原理、过程以及典型研究应用实例进行综述,以期推动肠道菌群分析相关研究发展以及探索结合机器学习算法进行肠道菌群分析的有效方式,同时也为开发基于肠道菌群数据的新型诊疗手段提供借鉴,推动我国精准医疗事业发展。     

Staphylococcus epidermidis in the human skin microbiome mediates fermentation to inhibit the growth of Propionibacterium acnes: implications of probiotics in acne vulgaris

Increasing evidence demonstrates that commensal microorganisms in the human skin microbiome help fight pathogens and maintain homeostasis of the microbiome. However, it is unclear how these microorganisms maintain biological balance when one of them overgrows. The overgrowth of Propionibacterium acnes (P. acnes), a commensal skin bacterium, has been associated with the progression of acne vulgaris. Our results demonstrate that skin microorganisms can mediate fermentation of glycerol, which is naturally produced in skin, to enhance their inhibitory effects on P. acnes growth. The skin microorganisms, most of which have been identified as Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis), in the microbiome of human fingerprints can ferment glycerol and create inhibition zones to repel a colony of overgrown P. acnes. Succinic acid, one of four short-chain fatty acids (SCFAs) detected in fermented media by nuclear magnetic resonance (NMR) analysis, effectively inhibits the growth of P. acnes in vitro and in vivo. Both intralesional injection and topical application of succinic acid to P. acnes-induced lesions markedly suppress the P. acnes-induced inflammation in mice. We demonstrate for the first time that bacterial members in the skin microbiome can undergo fermentation to rein in the overgrowth of P. acnes. The concept of bacterial interference between P. acnes and S. epidermidis via fermentation can be applied to develop probiotics against acne vulgaris and other skin diseases. In addition, it will open up an entirely new area of study for the biological function of the skin microbiome in promoting human health.     

Rapidly expanding knowledge on the role of the gut microbiome in health and disease

The human gut is colonized by a wide diversity of micro-organisms, which are now known to play a key role in the human host by regulating metabolic functions and immune homeostasis. Many studies have indicated that the genomes of our gut microbiota, known as the gut microbiome or our “other genome” could play an important role in immune-related, complex diseases, and growing evidence supports a causal role for gut microbiota in regulating predisposition to diseases. A comprehensive analysis of the human gut microbiome is thus important to unravel the exact mechanisms by which the gut microbiota are involved in health and disease. Recent advances in next-generation sequencing technology, along with the development of metagenomics and bioinformatics tools, have provided opportunities to characterize the microbial communities. Furthermore, studies using germ-free animals have shed light on how the gut microbiota are involved in autoimmunity. In this review we describe the different approaches used to characterize the human microbiome, review current knowledge about the gut microbiome, and discuss the role of gut microbiota in immune homeostasis and autoimmunity. Finally, we indicate how this knowledge could be used to improve human health by manipulating the gut microbiota. This article is part of a Special Issue entitled: From Genome to Function.     

阴道微生物组：种群特征与疾病干预治疗

高通量测序技术的发展显著加快了对人类微生物组的理解。将人体微生物组与疾病关联,力求阐明疾病的发生进程,是推进个性化精准医疗的重要研究方向。近年来,栖居于女性阴道的微生物菌群日益受到关注,发现其生态失调与疾病发生、演变密不可分。文中综述了阴道微生物组与生殖道疾病发生、进展和治疗的最新进展,同时对阴道微生物组培养组、益生菌工程化改造以及合成菌群在阴道微生物组学研究以及疾病干预与治疗方面的前景进行了展望。     

Targeting friend and foe: Emerging therapeutics in the age of gut microbiome and disease

Mucosal surfaces that line our gastrointestinal tract are continuously exposed to trillions of bacteria that form a symbiotic relationship and impact host health and disease. It is only beginning to be understood that the cross-talk between the host and microbiome involve dynamic changes in commensal bacterial population, secretion, and absorption of metabolites between the host and microbiome. As emerging evidence implicates dysbiosis of gut microbiota in the pathology and progression of various diseases such as inflammatory bowel disease, obesity, and allergy, conventional treatments that either overlook the microbiome in the mechanism of action, or eliminate vast populations of microbes via wide-spectrum antibiotics need to be reconsidered. It is also becoming clear the microbiome can influence the body’s response to therapeutic treatments for cancers. As such, targeting the microbiome as treatment has garnered much recent attention and excitement from numerous research labs and biotechnology companies. Treatments range from fecal microbial transplantation to precision-guided molecular approaches. Here, we survey recent progress in the development of innovative therapeutics that target the microbiome to treat disease, and highlight key findings in the interplay between host microbes and therapy.     

Single-cell metagenomics: challenges and applications

With the development of high throughput sequencing and single-cell genomics technologies, many uncultured bacterial communities have been dissected by combining these two techniques. Especially, by simultaneously leveraging of single-cell genomics and metagenomics, researchers can greatly improve the efficiency and accuracy of obtaining whole genome information from complex microbial communities, which not only allow us to identify microbes but also link function to species, identify subspecies variations, study host-virus interactions and etc. Here, we review recent developments and the challenges need to be addressed in single-cell metagenomics, including potential contamination, uneven sequence coverage, sequence chimera, genome assembly and annotation. With the development of sequencing and computational methods, single-cell metagenomics will undoubtedly broaden its application in various microbiome studies.