人体肠道病毒组学研究进展

人体微生物组计划开展近10年来,大量的研究显示人体微生物通过各种方式深刻地影响着人体健康。人体肠道内丰富多样的病毒构成了肠道病毒组,是人体微生物组的重要组成部分,和人体健康密切相关。本文综述了近些年国际上人体肠道病毒组研究的最新进展,分别从人体肠道病毒组的组成特征、肠道病毒组-细菌组-人体间的相互作用及其对人体健康的影响、病毒组研究的技术策略及挑战等方面进行了论述,探讨了肠道病毒组在人体疾病预防和治疗领域应用的可行性。     

肠道微生物与人体健康研究进展

人类肠道中定居着许多对宿主有益的微生物,包括细菌、病毒、真核生物等,它们在肠道内能与其他微生物及免疫系统相互作用,对人体健康具有重要影响,被称为"被遗忘的器官",它们的基因组也被誉为人类的"第二基因组",与人体的能量代谢及物质代谢有关。本文总结了人体肠道中病毒、真核生物、细菌和宿主免疫系统的相互作用,微生物群的失衡可能导致的疾病如肥胖和克罗恩病等,以及微生物环境在人体内的成熟过程,期望有助于诊断和治疗与肠道微生物失衡相关的疾病。     

病毒感染性疾病与肠道微生物关系研究进展

肠道微生物影响着人体的营养、代谢、免疫等多种生理活动,对人体健康有非常重要的影响。目前的研究表明,肠道微生物在病毒感染性疾病的感染及预后过程中发挥着重要的作用。本文分别总结了肠道病毒感染、非肠道病毒感染与肠道微生物的相互作用关系以及微生态调节干预病毒感染等内容,以期为相关研究的进一步深入和病毒感染性疾病的防治提供新思路。     

宿主遗传背景与肠道微生物互作研究进展

“微生物”这一名词指非常小的生物，如古菌、细菌、原生生物、真菌和病毒，肠道“微生物组”表示的是肠道微生物集合体。它们实际上共享宿主的身体空间，但作为宿主健康和疾病的决定因素却几乎被忽视。作为信息的集合，微生物组包括微生物的基因组数据、结构元件、代谢物和环境条件。最近对肠道微生物组的研究表明，微生物群落在维持宿主稳态和调节宿主表型上发挥着重要作用。随着包括二代测序(next-generation sequencing, NGS)在内的新技术的出现以及微生物群落序列谱等深入测定技术出现，人们对肠道微生物组与宿主遗传背景之间的关系有了许多见解。本文通过肠道微生物组学的概述，基于全基因组关联分析技术建立肠道微生物组学与宿主遗传之间联系，并对宿主遗传学与肠道微生物组的关系及未来发展前景进行探讨。     

利用长距离PCR扩增国内肠道病毒流行株基因组方法的建立和评价

目的:通过调查近年来我国肠道病毒EV-71型和柯萨奇病毒A16型流行株的全基因组序列,建立一种能够获得我国肠道病毒序列的通用扩增方法,为今后的手足口病流行病学分析、致病机理研究等打下基础。方法:收集我国近5年各地报道的肠道病毒流行株全基因组序列作为参考序列进行比对分析,在保守区设计通用引物,利用3'RACE、长距离PCR扩增及简并引物扩增肠道病毒全基因组序列,采用IonTorrentPGM二代测序仪对扩增产物进行深度测序,以对扩增方法进行验证和评价。结果:通过比对肠道病毒流行株序列设计了通用扩增引物,经二代测序实验获得了肠道病毒全基因组序列;以系列比例模拟混合病毒感染,该扩增方法能够同时获得2株肠道病毒的全基因组序列;能够完整地揭示肠道病毒重组情况。结论:建立了针对我国近年来肠道病毒流行株的通用全基因组扩增方法,在病毒培养液中肠道病毒的提取与扩增中显示了较高的灵敏度,能够反映混合病毒感染、重组病毒的情况。     

基于不同通用引物比较分析肠道微生物群落变化

肠道微生物对于人体健康的重要作用已经得到广泛证实,目前,对肠道微生物的研究大多采用基于扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区的高通量测序分析,对古菌的关注较少。本研究选择了一对可以同时扩增细菌和古菌16S rRNA基因的引物,通过比较人为干扰肠道微生物前后的群落变化,说明这对引物适宜分析人类肠道细菌和古菌群落变化并具有一定优越性。采集志愿者粪便样品,同时用仅能扩增细菌引物 (B引物) 和细菌古菌通用引物 (AB引物) 进行扩增和高通量测序;使用几个常用的rRNA数据库判断引物对细菌的覆盖度和对古菌的扩增能力。结果表明,AB引物在可以展示B引物扩增出的细菌群落的基础上,可以得到肠道中常见的产甲烷古菌的序列,同时也展示出人为干扰肠道微生物前后的群落结构变化。AB引物可以仅通过一次扩增和测序同时分析肠道中的细菌和古菌群落,更加全面展示肠道微生物群落结构,适用于肠道微生物相关研究。     

医学遗传学2.0:导致人类慢病的主因可能首先是人体共生微生物基因异常,其次才是人类基因异常

当前慢病高发的现实对"健康中国2030"战略目标的实现提出了巨大挑战。虽然众多医疗机构和政府管理部门付出巨大努力,然而如果仍然沿袭现有慢病防控模式和医疗改革理念,恐怕很难在近期内实现慢病防控的突破,迫切需要引入新思路,才有可能破解慢病高发这个难题。根据近年来国内外大量报道人体共生微生物尤其是肠道菌群与人体多种慢病之间存在密切相关性甚至因果性的研究进展,以及在此启发下我们实验室通过大量研究发现"饥饿源于菌群",结合诸多文献报道证明通过调控肠道菌群微生态可改善多种慢病,为"慢病源于菌群"提供了重要依据,从而提出"医学遗传学2.0"(Medical genetics 2.0, MG2.0)的概念,其核心思想是将复杂性疾病(主要指慢病)的致病因素优先归因于人体共生微生物尤其是肠道菌群基因组异常,而人类基因组异常则是跟随前者发生顺应性改变的结果,即人体共生微生物基因组异常是慢病的主要矛盾,人类自身的基因组异常是慢病的次要矛盾,两套基因组通过联立交互作用,最终导致人体慢病持续发展。如果只是通过纠正人类基因组异常,而忽视了纠正菌群基因组异常,则难以从根本上治疗慢病,因为异常的菌群基因组仍然会持续影响人体健康。因此,在慢病防控方面,建议医学遗传学领域的研究重点可向肠道菌群等人体共生微生物领域进行深化,广泛开展以人体共生微生物尤其是肠道菌群基因组为主、人类基因组为辅的人菌双基因组关联分析研究,建立不同慢病的菌群图谱(含基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学以及生命组学等相关研究),并研究纠正异常菌群图谱的方法(含靶向肠道菌群的新药研发),为慢病防控找到新出路。     

肠道噬菌体组生物信息学分析方法的研究进展

噬菌体是感染细菌的病毒,广泛存在于各类环境中。由于传统实验研究的局限性及噬菌体基因的特异性,导致对肠道噬菌体的研究很少。随着宏基因组测序技术的发展和各种生物信息分析软件的开发,可以通过噬菌体组学,加深对肠道噬菌体的认识。噬菌体组分析流程主要包括原始数据质量控制和预处理,病毒基因组序列的拼接组装,类病毒颗粒的筛选和系统分类注释以及进化分析和预测相应宿主细菌。本文对噬菌体组分析流程和其中所需要的常用生物信息分析工具和数据库进行详细的介绍,可以为肠道噬菌体研究以及相关的研究人员提供参考。     

病毒组研究：微生物组研究新热点

病毒组是指分布在各种环境中病毒的集合或病毒宏基因组的统称。病毒可以分布于水体、冰川、动植物甚至某些病毒当中,主要分为真核病毒、原核病毒和亚病毒。其在维持环境内稳态、生态系统平衡等方面起着非常重要的作用,并且与人类的健康密切相关。近年来,随着测序技术和数据分析水平的进步,人们能够采用宏基因组测序的方式研究病毒组并探究其在生态位中的潜在作用。人们在冰川、海洋、各种动植物中都得到了大量的病毒组数据,发现了众多未知病毒。人们研究病毒组主要是通过宏基因组数据挖掘和病毒样粒子 (Virus-like particles,VLPs) 分离富集测序两种方式进行分析处理。迄今为止,已存在多种不同的病毒组分离富集方法,并且针对病毒组的生物信息分析也数不胜数。然而,针对病毒组的富集和数据分析方法还缺少具体、完整的综述。文中将对病毒组的分离富集方法和数据分析进行整理与总结,并列举出部分采用病毒组分离富集方法进行的重要研究,旨在为相关人员提供参考,进一步促进病毒组研究领域的发展。     

人体微生物组的肿瘤诱导作用及机制的研究进展

癌症已经成为威胁人类健康的第一杀手,约20%的癌症病因与微生物存在直接联系。这些微生物除了传统意义上的病原菌、病毒、真菌外,一向和我们和平共处的共生微生物组在细胞癌变的过程中也发挥了重要作用。阐明这些被称为人体第二基因组的口腔、肠道等微生物种群与癌症发生发展的潜在关系及微生物感染、微生物对前致癌物质的激活和对人体细胞信号转导的干扰等肿瘤诱导机制,将可能为癌症的防治提供新的靶点和思路。现就人体微生物组的肿瘤诱导作用及机制的最新进展作一综述。     

不同粪便DNA提取方法比较分析北大核心CSCD

肠道微生物群落结构和多样性与人体疾病密切相关。然而,相关群落结构分析结果可能受到DNA提取质量等实验因素影响。因此,评估不同DNA提取方法对肠道特定种属的提取效果,对于全面、准确获取人体肠道微生物谱,深入探究肠道微生物群落结构具有指导意义。本研究旨在借助实时荧光定量PCR(real-time quantitative polymerase chain reaction,RT qPCR)技术,以DNA提取纯度、浓度,以及对肠道中特定种属微生物基因组DNA的提取丰度为指标,对5种DNA提取方法进行比较分析。结果表明,试剂盒Q的提取效果最佳,特别是对乳杆菌属和双歧杆菌属等革兰氏阳性菌的提取效果较好。N试剂盒的平均DNA提取浓度较Q试剂盒低,但在纯度方面,二者无显著性差异。与其他3种商用试剂盒(M、PSP、TG)相比,N方法对肠道内指定微生物基因组的提取效果仅次于Q试剂盒,位居第二。相比之下,M试剂盒提取所得DNA,质量较高,但浓度偏低,对于肠道内革兰氏阳性菌的提取效果不很理想。TG试剂盒和PSP试剂盒提取所得DNA在浓度、质量以及细菌丰度方面均不及其他验证的试剂盒。综上,Q试剂盒可作为肠道微生态研究相关实验中获取高质量基因组DNA的提取方法。本研究结果为肠道微生态研究相关实验中基因组DNA提取方法的选择提供参考依据。     

小檗碱对大鼠肠道菌群结构的体外影响

目的研究小檗碱在体外对高脂饮食诱导的肥胖、胰岛素抵抗大鼠(HFD)肠道菌群和正常饮食对照大鼠(NCD)肠道菌群结构的体外影响。方法采用体外厌氧培养、PCR-DGGE和454焦磷酸测序技术研究小檗碱对肠道菌群结构和多样性的影响。结果 DGGE指纹图谱和454焦磷酸测序结果都表明,小檗碱可以改变肠道菌群的结构,高剂量的小檗碱可以减少肠道微生物的多样性。应用偏最小二乘法判别模型分析(PLS-DA)挑选与小檗碱相关的细菌类群(OTU),在HFD组中挑选了55个关键OTUs,其中53个被明显抑制或消除,剩余2个分别属于Proteus和Escherichia/Shigella属的OTUs则被小檗碱富集。在NCD组中挑选的51个关键OTUs中,32个被小檗碱抑制,17个被小檗碱富集。被富集的除了属于Klebsielal属的OTU外,还包括可以产生短链脂肪酸的Lactobacillus、Blautia属的OTUs。结论小檗碱可以直接调节肠道菌群的结构,对不同结构的肠道菌群其作用也不相同,不同浓度的小檗碱对肠道菌群的影响有较大差异。高浓度的小檗碱可以抑制大部分细菌的生长(其中有很多为肠道条件致病菌),减少肠道微生物的多样性,富集Enterobacteriaceae科的细菌(Proteus、Escherichia/Shigella、Klebsielal)。相较于HFD组,小檗碱可以显著富集NCD组大鼠肠道菌群中的短链脂肪酸产生菌。     

基于三代测序技术的微生物组学研究进展

微生物在人类生活中无处不在, 过去人们对微生物的认识仅停留在单菌培养和定性研究上, 而测序技术的发展极大地促进了微生物组学的研究。越来越多的证据表明: 人体共生微生物、特别是肠道微生物与人类健康息息相关。 二代测序技术凭借其高通量、高准确率和低成本的特点, 成为微生物组学研究中的主流测序技术。但是随着研究的深入, 二代测序技术的短读长(< 450 bp)增加了后续数据分析和基因组拼接难度, 也限制了该技术在未来研究中的应用。在此背景下, 第三代测序技术应运而生。第三代测序技术又称单分子测序, 能够直接对单个DNA分子进行实时测序, 而不需要经过PCR扩增。第三代测序技术的平均读长在2-10 kb左右, 最高可以达到2.2 Mb, 实现了长序列的高通量测序。凭借其超长的测序读长、无GC偏好性等优势, 三代测序技术为微生物基因组全长测序, 组装完整可靠的基因组提供了新的方法。本文在描述三代测序的技术特点和原理的基础上, 重点介绍了三代测序技术在微生物16S/18S rRNA基因测序、单菌的基因组组装以及宏基因组中的研究应用和进展。     

人体肠道4 644株代表菌次级代谢产物生物合成基因簇挖掘与耐药及毒力基因分析

为了更好地从肠道微生物组中挖掘新的次级代谢产物、了解肠道微生物组编码的抗生素耐药基因和毒力因子情况,本研究基于4 644株人体肠道微生物代表菌的基因组序列,对其编码的次级代谢产物基因簇、抗生素耐药基因和毒力因子进行了预测分析。经antiSMASH预测分析发现,超过60%的代表菌编码至少1个次级代谢产物基因簇,并从8个未可培养菌中发现了8个潜在的新颖次级代谢产物基因簇。人体肠道中的次级代谢产物主要由梭菌纲（Clostridia）、芽孢杆菌纲（Bacilli）、γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、拟杆菌纲（Bacteroidia）、放线菌纲（Actinobacteria）和厚壁菌纲（Negativicutes）6类细菌编码的非核糖体多肽合成酶（nonribosomal peptide synthetase,NRPS）、细菌素、芳基多烯类化合物、萜烯、β-丙内酯、NRPS-样蛋白组成。经PathoFact预测分析发现,抗生素耐药基因和毒力因子在代表性菌株中分布广泛,但潜在病原菌编码频率更高。潜在病原菌中编码外膜蛋白、PapC N-端结构域、PapC C-端结构域、肽酶M16失活结构域等分泌型毒素和硝基还原酶家族、AcrB/AcrD/AcrF家族、PLD-样结构域、Cupin结构域、假定溶血素、S24-样肽酶、磷酸转移酶家族、内切核酸酶/外切核酸酶/磷酸酶家族、乙二醛酶/博莱霉素抗性等非分泌型毒素的频率较高。该研究将为进一步从肠道微生物组中挖掘新的微生物天然产物、了解肠道微生物的定殖与感染机制,为肠道微生物相关疾病提供靶向防治策略等奠定基础。     

呼吸道病毒和呼吸道、肠道菌群的相互作用

随着新技术的应用,人们对人体不同部位的微生态系统有了进一步的认识,其中的微生物部分不仅指细菌还包括病毒。病毒的存在可以影响呼吸道和肠道菌群变化,同样呼吸道和肠道菌群状态也影响着病毒对人体的入侵程度。本研究就呼吸道和肠道菌群与呼吸道病毒相互作用关系的研究进展作一综述。     

BOX-PCR技术在微生物多样性研究中的应用

近年来在微生物多样性研究中,利用微生物基因组中广泛分布的短重复序列设计引物,选择性地扩增重复序列之间的不同基因区域,以得到大小不等的DNA扩增片段的方法日渐增多.以BOX插入因子(细菌基因组重复序列)为基础的PCR技术,具有操作简单快捷,可重复性强,容易获得较为丰富的扩增条带等特点,最初主要应用于细菌的多样性研究.目前研究发现用BoxA1R引物对微生物中的真菌、放线菌进行选择性的扩增,也能够达到很好的遗传及多样性分析的目的.本文综述了BOX-PCR指纹图谱分析技术的特点和一般步骤;结合作者对植物内生细菌的BOX-PCR指纹图谱分析体系的优化,对BOX-PCR技术的改进进行了总结:并对该技术在微生物菌株多样性研究领域的应用现状和前景进行了阐述.     

昆虫与其肠道菌群互作机理的研究进展及其在害虫管理中的应用前景

昆虫肠道中栖息着真菌、病毒、细菌、原生动物和古菌等种类繁多、数量庞大的微生物,总称为肠道微生物群。其中,细菌是最主要的类群,统称为肠道菌群。一方面,肠道菌群广泛参与了宿主昆虫的生长发育、免疫防御与器官稳态维持、抗药性的产生、逆境抗性和社会行为等众多关键生理过程。另一方面,昆虫的肠道免疫系统中有一套精细的调控机制来维持宿主与其肠道菌群之间的共生关系。高通量测序技术与组学技术的发展和应用极大地促进了对昆虫体内微生物群的结构与功能的认识和理解,并明显提高了人类对昆虫微生物资源的利用能力。本文综合介绍了关于昆虫肠道菌群的组成、功能及其与宿主互作机理等方面的研究现状,并在此基础上对昆虫耐受与调控其肠道菌群稳态的机理研究及其相关的应用前景进行了展望。     

对Bt蛋白敏感敏感和敏感的棉铃虫中肠细菌群落的比较

摘要：【目的】通过比较Cry1Ac蛋白抗性及敏感棉铃虫中肠细菌群落的结构组成,研究中肠微生物是否与棉铃虫Bt抗性产生有关。【方法】首先提取了棉铃虫中肠微生物基因组DNA,通过PCR扩增获得了16S rDNA全长片段及V3区。采用基于16S rDNA 的免培养技术—16S rDNA文库建立和变性梯度凝胶电泳（DGGE）研究了国内特有的Bt抗性和敏感品系棉铃虫中肠细菌群落组成,并对其进行分析和比较。【结果】16S rDNA文库测序结果表明,抗性品系与敏感品系棉铃虫中肠细菌群落特别是优势菌群非常相似,但在部分劣势菌群上存在差异。抗性品系中主要优势菌有：不可培养微生物（Uncultured bacterium）占56.4%,鹑鸡肠球菌（Enterococcus gallinarum）占17.0%,铅黄肠球菌（Enterococcus casseliflavus）占17.0%;敏感品系中主要优势菌为不可培养微生物（Uncultured bacterium）60.2%,鹑鸡肠球菌（Enterococcus gallinarum）占19.3%,铅黄肠球菌（Enterococcus casseliflavus）占14.7%。随后进行的PCR验证表明,部分有差异的劣势菌在两种品系虫体都存在。DGGE图谱分析表明,这两个品系棉铃虫中肠菌群相似性达到92.3%。【结论】敏感品系与抗性品系棉铃虫肠道菌群组成极其相似,推测抗性的产生与肠道微生物无直接关系。     

采用RAPD-PCR技术评估果蝇肠道噬菌体多样性

噬菌体作为微生物群落结构和功能的主要驱动力之一,研究其在动物肠道中的生态进化过程具有重要意义。本研究以黑腹果蝇为模型,探究以随机多态性DNA聚合酶链式反应(RAPD-PCR)病毒指纹技术评估肠道噬菌体的多样性。结果表明,野生型黑腹果蝇肠道噬菌体的多样性高于InR突变体黑腹果蝇。InR突变体果蝇在孵化为成虫后,可能经历一段短期的肠道噬菌体扰动,与第3天相比,第15天的肠道噬菌体多样性显著降低,而健康的野生型果蝇则没有明显变化。进一步利用落射荧光显微镜测量噬菌体和细菌的丰度,在第3天和15天,野生型果蝇游离噬菌体和细菌均处于稳定状态。第3天InR突变体果蝇肠道细菌的丰度显著降低,病毒与细菌丰度的比值(VBR)明显高于其他组;第15天InR突变型果蝇噬菌体的多样性降低,VBR明显低于各处理组。本文证实了InR突变体果蝇肠道噬菌体生态学特征与野生型存在一定的差异,也表明RAPD-PCR病毒指纹技术可以实现对肠道病毒多样性的快速评估。     

对Bt蛋白抗性和敏感的棉铃虫中肠细菌群落的比较

【目的】通过比较Cry1Ac蛋白抗性及敏感棉铃虫中肠细菌群落的结构组成,研究中肠微生物是否与棉铃虫Bt抗性产生有关。【方法】首先提取了棉铃虫中肠微生物基因组DNA,通过PCR扩增获得了16S rDNA全长片段及V3区。采用基于16S rDNA的免培养技术-16S rDNA文库建立和变性梯度凝胶电泳(DGGE)研究了国内特有的Bt抗性和敏感品系棉铃虫中肠细菌群落组成,并对其进行分析和比较。【结果】16SrDNA文库测序结果表明,抗性品系与敏感品系棉铃虫中肠细菌群落特别是优势菌群非常相似,但在部分劣势菌群上存在差异。抗性品系中主要优势菌有:不可培养微生物(Uncultured bacterium)占56.4%,鹑鸡肠球菌(Enterococcus gallinarum)占17.0%,铅黄肠球菌(Enterococcus casseliflavus)占17.0%;敏感品系中主要优势菌为不可培养微生物(Uncultured bacterium)60.2%,鹑鸡肠球菌(Enterococcus gallinarum)占19.3%,铅黄肠球菌(Enterococcus casseliflavus)占14.7%。随后进行的PCR验证表明,部分有差异的劣势菌在两种品系虫体都存在。DGGE图谱分析表明,这两个品系棉铃虫中肠菌群相似性达到92.3%。【结论】敏感品系与抗性品系棉铃虫肠道菌群组成极其相似,推测抗性的产生与肠道微生物无直接关系。