微生物组学的技术和方法及其应用

微生物组是指一个特定环境或生态系统中全部微生物及其遗传信息的集合, 其蕴藏着极为丰富的微生物资源。全面系统地解析微生物组的结构和功能, 将为解决人类面临的能源、生态环境、工农业生产和人体健康等重大问题带来新思路。然而, 微生物组学研究在很大程度上取决于其技术与方法的发展。在高通量测序技术出现以前, 微生物研究主要基于分离培养和指纹图谱等技术, 然而, 由于这些技术存在的缺陷, 人们对于微生物的认识十分有限。自21世纪初以来, 尽管高通量测序和质谱技术的革命性突破极大地促进了人们对于微生物的认识, 微生物组学技术在微生物组研究中的应用仍面临着诸多挑战。此外, 目前微生物组的结构和多样性等描述性研究已臻成熟, 微生物组学研究正处于从数量到质量、从结构到功能的关键转变时期。因此, 该文首先介绍了微生物组学的基本概念及其发展简史, 其次简述了微生物组学研究的相关技术和方法及其发展历程, 并进一步阐述了微生物组学的技术和方法在生态学研究中的应用及存在的主要问题, 最后从技术、理论和应用层面阐述了未来微生物组学技术和方法发展的前沿方向, 并提出了今后微生物组学研究的优先发展领域。     

微生物转录组学技术研究进展

随着分子生物技术的不断进步,转录组学技术已广泛应用于生物基因表达水平的研究。近年来,针对微生物转录组学的研究技术也在不断发展。在基因层面上,由片段RNA与微生物样本进行互补验证,发展到直接对全长RNA进行测序得到序列信息;在空间上,由传统群体转录组发展到空间、单细胞以及表观等层面的研究。随着转录组学技术在微生物研究领域中的应用,相应的缺陷也逐渐显现并不断被完善。本文主要是对微生物研究方面传统的和新型的转录组学技术进行了总结归纳,为微生物转录组学研究提供参考。     

肠道微生物基因组学与代谢组学分析联合应用的研究进展

随着肠道微生物对人类健康与疾病的作用日渐受到关注,肠道微生物的代谢作用已成为近年研究的热门领域之一。已有研究表明,将肠道微生物组学与代谢组学应用于宿主生理、疾病病理、药物药理等方面的研究具有重要价值。本文就肠道微生物基因组学和代谢组学分析联合应用的研究进展进行综述。     

功能代谢组学技术在微生物研究中的应用

功能代谢组学是以代谢组学技术发现关键代谢物为基础,结合体内体外实验和分子生物学等技术手段,研究差异代谢物及相关蛋白、酶和基因的功能,从而揭示生物体内在的分子调控机制。功能代谢组学技术具有精准识别关键调控代谢物及其相关基因或酶的特性,近年来在微生物相关疾病的防控和工业化生产等方面受到了广泛的关注。本文介绍了功能代谢组学技术的分析流程、相关研究方法与平台及其在微生物研究方面的应用,其中重点阐述了真核、原核以及病毒微生物的代谢特性、调控靶点及相关防控策略等。最后,提出功能代谢组学研究在未来面临的问题与挑战,为后续功能代谢组学的研究与发展提供新的思路。     

组学技术在产油微生物中的应用

微生物油脂是未来燃料和食品用油的重要潜在资源。近年来,随着系统生物学技术的快速发展,从全局角度理解产油微生物生理代谢及脂质积累的特征成为研究热点。组学技术作为系统生物学研究的重要工具被广泛用于揭示产油微生物脂质高效生产的机制研究中,这为产油微生物理性遗传改造和发酵过程控制提供了基础。文中对组学技术在产油微生物中的应用概况进行了综述,介绍了产油微生物组学分析常用的样品前处理及数据分析方法,综述了包括基因组、转录组、蛋白(修饰)组及代谢(脂质)组等在内的多种组学技术,以及组学数据基础上的数学模型在揭示产油微生物脂质高效生产机制中的研究,并对未来发展和应用进行了展望。     

功能代谢组学技术在微生物研究中的应用

功能代谢组学是以代谢组学技术发现关键代谢物为基础,结合体内体外实验和分子生物学等技术手段,研究差异代谢物及相关蛋白、酶和基因的功能,从而揭示生物体内在的分子调控机制。功能代谢组学技术具有精准识别关键调控代谢物及其相关基因或酶的特性,近年来在微生物相关疾病的防控和工业化生产等方面受到了广泛的关注。本文介绍了功能代谢组学技术的分析流程、相关研究方法与平台及其在微生物研究方面的应用,其中重点阐述了真核、原核以及病毒微生物的代谢特性、调控靶点及相关防控策略等。最后,提出功能代谢组学研究在未来面临的问题与挑战,为后续功能代谢组学的研究与发展提供新的思路。     

植物微生物组生态功能与群落构建过程研究进展

植物各个器官表面及内部定殖着高度多样化的微生物群落,这些微生物与植物长期共进化,作为宿主植物的“共生功能体”(holobiont)在植物生长发育、养分吸收、病害抵御和环境胁迫适应性等方面发挥了重要作用。得益于近10年来多组学技术的发展和应用,有关植物微生物群落的多样性、组成和功能特征、群落构建的驱动因素和植物–微生物互作机制等方面研究取得了一系列重要进展。然而,与土壤微生物组相比,目前对植物微生物组的认识及其应用尚且不足。本文系统总结了植物微生物组的组成特征,植物微生物在调节植物生长发育、促进养分吸收、提高病害抵御能力及环境胁迫适应性等方面的功能及作用机制,从宿主选择、环境因子以及生物互作3个方面总结了驱动植物微生物群落构建的因素,并着重阐述了植物–微生物互作如何塑造植物微生物群落以及如何调节对植物的有益功能。此外,我们对未来植物微生物组研究和应用面临的挑战进行了展望,如核心微生物组挖掘和合成群落构建,植物–微生物互作的分子调控机制,植物微生物群落水平上的互作机制等。深入理解植物微生物群落特征、生态功能以及构建过程对于精准调控植物微生物组以提高植物适应性和生产力以及维持生态系统健康具有...     

从微生物组到合成功能菌群

微生物组是指特定微环境中的微生物群落及其组学,自然界中的生物过程几乎都是通过微生物组完成的。随着测序技术的发展和成本降低,微生物组已经成为微生物生态学研究的热点领域。继合成生物学之后,基于微生物组的合成功能菌群研究正在兴起,在人类健康、农业、工业和生态等领域都有广泛的应用前景。本文从微生物组到合成功能菌群的角度系统论述了其在不同领域的研究现状与发展趋势,为微生物组从理论研究到应用提供思路。     

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。     

活性污泥微生物群落宏组学研究进展

活性污泥是全球最常用的废水生物处理人工生态系统,微生物是驱动其污染净化能力的关键。活性污泥微生物群落所有物种与基因(简称"微生物组")的研究先后经历了"显微镜观察和纯菌培养分离"(1915)、"PCR扩增-测序"(1994)和"高通量测序-宏组学分析"(2006)三个重要阶段的发展变迁。相应地,我们对活性污泥微生物组的认知经历了从最早对微型动物(如钟虫和轮虫)及其他微生物的形貌观察和纯种培养鉴定到今天对整个微生物组的全局多样性认识的飞跃。近13年来,基于高通量测序的宏组学方法被广泛应用于揭示活性污泥微生物群落组成结构和功能,我们现在充分意识到活性污泥微生物组蕴藏着大量不可培养新物种和基因多样性,驱动着各类污染物的降解与转化。目前,特异性分子标记基因的扩增子测序技术已经被广泛应用于揭示城市和工业废水处理活性污泥微生物组和典型功能种群(如硝化细菌和聚磷菌)的时空多样性和群落构建机制,进而为未来实现活性污泥微生物组功能的精准调控奠定理论基础。宏基因组学研究在群落、种群和个体基因组水平全面解析了活性污泥微生物组驱动的碳、氮、磷元素循环过程,以及有机微污染物的生物降解和转化机理。将来活性污泥微生物组学研究需要在"标准化的组学分析方法和绝对定量""高通量培养组学""高通量功能基因组学"和"多组学方法的结合及多种方法并用"4个方面取得实现精准生态基因组学所需的技术突破,以最大限度发掘活性污泥微生物组在污水处理与资源回收领域的生态学与工程学价值。     

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。     

分子即时检测(POCT)技术及其在新发传染病中的应用*

分子即时检测(point-of-care testing,POCT)技术具有灵敏度高、分析速度快、体积小、检测成本低廉等特点,在分子诊断领域受到广泛关注。近年来,分子POCT技术的发展与应用在应对新发、突发传染病,保护人类生命健康方面具有重大意义。介绍近五年来新兴的分子POCT技术,总结新兴分子POCT技术的最新研究进展及应用前景,分析POCT技术的优势与面临的挑战,探讨提高其检测灵敏度和选择性的技术策略。     

单倍型及其在菌物学研究中的应用

单倍型分析在人和动、植物的许多学科领域都取得了丰硕的研究成果。本文主要介绍了单倍型的概念、研究方法,以及常用的可视化网络分析软件的操作步骤,同时综述和讨论了单倍型在菌物学一些领域,如种群的遗传多样性、生物地理来源及迁徙、复合种群中隐存种的界定及其与系统发育关系、生物入侵及新兴病原的单倍型分析侦测等的研究进展,以期为菌物学向更深层次发展提供新的视角和途径。     

活体生物药：生物技术推动的创新药研发前沿

随着微生物组学研究的深入,越来越多的研究证据显示微生物与人体的健康密切相关。20世纪,人们发现了益生菌,并将其作为有健康功效的食品或膳食补充剂使用。21世纪以来,随着人体微生物组学、DNA合成与测序,以及基因编辑等技术的飞速发展,微生物在人体健康方面展示出更为广阔的应用前景。近年来,在新药研发上,提出了“下一代益生菌”的概念,将微生物作为“活体生物药(live biotherapeutic products,LBP)”进行研究和开发。简单地说,LBP是活菌药物,可以用于预防或治疗人类的某些疾病和适应症。LBP因其独特的优势,成为了新药研发领域的前沿方向,具有十分广阔的发展前景。本文着重从生物技术角度介绍LBP的类型和研究进展,并总结了LBP开发所面临的挑战以及对未来的展望,以期为LBP技术的发展与产品开发提供参考。     

Using RNAi to improve plant nutritional value: from mechanism to application

RNA interference (RNAi) is an ancient mechanism of gene suppression, whose machinery and biological functions are only partially understood. Intensive studies have focused on developing RNAi technologies for treating human diseases and for improving plant traits. Yet application of RNAi to improving the nutritional value of plants for human and animal nutrition, and development of the related RNAi technologies are still in their infancy. Here we discuss current knowledge of plant RNAi function, as well as concepts and strategies for the improvement of plant nutritional value through the development of plant RNAi technologies.     

Human induced pluripotent stem cells derived hepatocytes: rising promise for disease modeling,drug development and cell therapy

Recent advances in the study of human hepatocytes derived from induced pluripotent stem cells (iPSC) represent new promises for liver disease study and drug discovery. Human hepatocytes or hepatocyte-like cells differentiated from iPSC recapitulate many functional properties of primary human hepatocytes and have been demonstrated as a powerful and efficient tool to model human liver metabolic diseases and facilitate drug development process. In this review, we summarize the recent progress in this field and discuss the future perspective of the application of human iPSC derived hepatocytes.     

Human hepatocytes: isolation, cryopreservation and applications in drug development

The recent developments in the isolation, culturing, and cryopreservation of human hepatocytes, and the application of the cells in drug development are reviewed. Recent advances include the improvement of cryopreservation procedures to allow cell attachment, thereby extending the use of the cells to assays that requires prolong culturing such as enzyme induction studies. Applications of human hepatocytes in drug development include the evaluation of metabolic stability, metabolite profiling and identification, drug-drug interaction potential, and hepatotoxic potential. The use of intact human hepatocytes, because of the complete, undisrupted metabolic pathways and cofactors, allows the development of data more relevant to humans in vivo than tissue fractions such as human liver microsomes. Incorporation of key in vivo factors with the intact hepatocytes in vitro may help predictive human in vivo drug properties. For instance, evaluation of drug metabolism and drug-drug interactions with intact human hepatocytes in 100% human serum may eliminate the need to determine in vivo intracellular concentrations for the extrapolation of in vitro data to in vivo. Co-culturing of hepatocytes and nonhepatic primary cells from other organs in the integrated discrete multiple organ co-culture (IdMOC) may allow the evaluation of multiple organ interactions in drug metabolism and drug toxicity. In conclusion, human hepatocytes represent a critical experimental model for drug development, allowing early evaluation of human drug properties to guide the design and selection of drug candidates with a high probability of clinical success.     

JFCR39, a panel of 39 human cancer cell lines, and its application in the discovery and development of anticancer drugs

Over the past few decades, panels of human cancer cell lines have made a significant contribution to the discovery and development of anticancer drugs. The National Cancer Institute 60 (NCI60), which consists of 60 cell lines from various human cancer types, remains the most powerful human cancer cell line panel for high throughput screening of anticancer drugs. The development of JFCR39, comprising a panel of 39 human cancer cell lines coupled with a drug-activity database, was based on NCI60. Like NCI60, JFCR39 not only provides disease-oriented information but can also predict the action mechanism or molecular target of a given antitumor agent by utilizing the COMPARE algorithm. The molecular targets of ZSTK474 as well as several other antitumor agents have been identified by using JFCR39 and some of these compounds have since entered clinical trials. In this review, we will describe human cancer cell line panels particularly JFCR39 and its application in the discovery and/or development of anticancer drug candidates.     

免疫器官辐射损伤与防护的研究进展

随着社会的发展,核医学技术、放射医学技术的持续发展及广泛应用,当今世界核武器、核电站泄漏等事故偶有发生,以及人类现代生活和工作中广泛应用各种高科技电子产品,各类肿瘤病人接受放疗,人类生活圈四周充满的是多种放射线。电离辐射不仅对人类生命和财产造成损害,而且也对生理和心理造成严重创伤。因此对辐射的防治极为重要,加强对辐射的损伤机制及防护研究具有十分重要的现实意义。辐射导致的免疫损伤及其引发的免疫功能障碍,是核辐射、放射治疗和放射性核事故患者最常见的并发症,死亡率极高,至今仍是临床上亟待解决的难题。本文探讨了辐射免疫损伤效应和机理研究方面需要解决的问题,以及提出了进一步研究辐射免疫损伤防护措施的切入点。     

人体黏膜活组织模型在HIV-1 性传播途径感染中的应用

性传播途径已经成为全球人免疫缺陷病毒1型 (Human immunodeficiency virus type 1,HIV-1) 传播的主要方式。对HIV-1黏膜感染机制的深入理解,将有助于研发新型有效的生物技术阻断其感染和传播。目前,HIV-1黏膜感染机制的研究主要依赖于体外细胞培养和灵长类动物模型。近年来,一种新型黏膜活组织模型 (包括人体生殖道或肠道黏膜等组织) 的建立,可再现HIV-1突破黏膜屏障进入基底侧的生物学过程,适用于HIV-1黏膜感染机制与黏膜局部感染阻断生物技术的临床前有效性评价研究。