机器学习在微生物组宿主表型预测中的应用

随着大数据时代的到来,如何将生物组学海量数据转化为易理解及可视化的知识是当前生物信息学面临的重要挑战之一。为了处理复杂、高维的微生物组数据,目前机器学习算法已被应用于人体微生物组研究,以揭示疾病背后的复杂机制。本文首先简述了微生物组数据处理方法及常用的机器学习算法,如支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和人工神经网络(ANN)等,然后对机器学习的工作流程及其要点进行阐述,并探讨了机器学习算法在基于微生物组数据预测宿主表型方面的应用。最后以唾液微生物组数据预测口腔异味为例,实现了机器学习算法的模型构建与评估分析,并提供了可用于微生物组研究实践的R/Python代码(https://github.com/LiLabZSU/microbioML)。     

醋酸菌中CRISPR位点的比较基因组学与进化分析

CRISPR (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)是近几年发现的一种广泛存在于细菌和古菌中,能够应对外源DNA干扰(噬菌体、病毒、质粒等),并提供免疫机制的重复序列结构。CRISPR系统通常由同向重复序列、前导序列、间隔序列和CRISPR相关蛋白组成。本研究以醋酸发酵中常见3个属醋杆菌属(Acetobacter)、葡糖醋杆菌属(Gluconacetobacter)和葡糖杆菌属(Gluconobacter)的48个菌株为研究对象,通过其基因组上CRISPR相关基因序列的生物信息学分析,探索CRISPR位点在醋酸菌中的多态性及其进化模式。结果表明48株醋酸菌中有32株存在CRISPR结构,大部分CRISPR-Cas结构属于type I-E和type I-C类型。除了葡糖杆菌属外,葡糖醋杆菌属和醋杆菌属中的部分菌株含有II类的CRISPR-Cas系统结构(CRISPR-Cas9)。来自不同属菌株的CRISPR结构中重复序列具有较强的保守性,而且部分菌株CRISPR结构中的前导序列具有保守的motif (与基因的转录调控有关)及启动子序列。进化树分析表明cas1适合用于醋酸菌株的分类,而不同菌株间cas1基因的进化与重复序列的保守性相关,预示它们可能受相似的功能选择压力。此外,间隔序列的数量与噬菌体数量及插入序列(Insertion sequence, IS)数量有正相关的趋势,说明醋酸菌在进化过程中可能正不断受新的外源DNA入侵。醋酸菌中CRISPR结构位点的分析,为进一步研究不同醋酸菌株对醋酸胁迫耐受性差异及其基因组稳定性的分子机制奠定了基础。     

探究式教学在基因组学课程中的实例研究:基于比较基因组学鉴定大肠杆菌致病因子

基因组学是现代生命科学中众多"组学"研究方法的核心,越来越受到高校生物教学的重视,但目前关于其教学方法的研究报道较少。文章以大肠杆菌致病因子的比较基因组学教学作为一个专题教学实例,展示探究式教学法在基因组学课程中的应用。学生首先以Mauve软件比较不同大肠杆菌的基因组,分析基因的保守性,并以BLAST检索基因的功能注释信息,从而鉴定其是否为致病因子基因。在该专题教学中,整个教学过程通过情境、资源、任务、过程、评价5个模块来组织实施。教学效果表明,通过探究式教学的应用,学生在掌握基因组学课程知识与专业技能的基础上,提高了科研兴趣与自主学习能力。此外,该专题教学内容还可应用于其他相关课程如微生物学、生物信息学、分子生物学及食品安全检测技术等。     

Windows下16S rRNA基因扩增子测序数据分析的简易流程

微生物组数据分析需要掌握Linux系统操作,这对缺乏计算机知识的生物研究人员是一个很大的障碍。为此我们设计了一套在Windows的Linux子系统(WSL)下分析16S rRNA基因扩增子高通量测序数据的简易流程。本流程整合常用的开源软件VSEARCH与QIIME等,能对16S rRNA测序数据进行质量控制、OTU聚类、多样性分析及结果可视化呈现。以唾液微生物组分析为例,详细介绍从原始数据到多样性统计分析过程的参数和命令,及结果解读。教学实践证明,此流程易于学习,并有助于掌握微生物组的基本概念与方法。利用Windows系统最新的WSL功能,本流程方便Windows用户使用大量在Linux上运行的生物信息工具,有助于促进微生物组研究的发展。流程的安装程序与测序数据可从网址(http://www. ligene. cn/win16s/)免费下载使用。     

宋内志贺氏菌1173质粒基因组及耐药基因转移机制

【目的】研究质粒介导宋内志贺氏菌1173耐药基因bla_(CTX-M-64)转移的机制。【方法】用双纸片协同扩散法验证1173是否产超广谱β-内酰胺酶(ESBL),用PCR扩增鉴定其携带的耐药基因,接合转移实验检验其耐药质粒是否可通过接合转移给其他细菌,并对接合子是否产ESBL和携带耐药基因进行检验,利用VITEK~?2检测1173和接合子的耐药谱,提取质粒进行高通量基因组测序,并对质粒序列进行生物信息学分析,以研究其耐药基因转移机制。【结果】1173是产ESBL的多药耐药宋内志贺氏菌,携带的耐药基因有bla _(CTX-M-64)和bla _(TEM),其中的bla _(CTX-M-64)可通过接合转移作用传递给受体菌EC600,并使接合子具有相应的耐药谱。经序列测定和生物信息学分析表明,介导bla _(CTX-M-64)水平转移的是ISEcp1-bla_(CTX-M-64)-Δorf477转座单元。【结论】质粒携带的bla_(CTX-M-64)介导1173对多类抗菌药物的耐药,ISEcp1-bla_(CTX-M-64)-Δorf477转座单元介导bla_(CTX-M-64)在细菌间的转移。     

基于比较基因组学分析大黄鱼来源波罗的海希瓦氏菌的防御系统

【目的】波罗的海希瓦氏菌是冷藏海产品中常见的腐败菌,通过全基因组测序和转录组测序,分析它们的规律成簇间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)系统和限制修饰(restricted modification,R-M)系统,为波罗的海希瓦氏菌的基础生物学研究和海产品中微生物的致腐机制提供理论基础。【方法】分析大黄鱼来源波罗的海希瓦氏菌SB-19株和W-3株的致腐能力,对W-3株的全基因组序列进行测序、组装和注释,结合已报道的SB-19株和27株希瓦氏菌的全基因组序列,采用比较基因组学方法探究它们的CRISPR和R-M系统的差异,进而对SB-19株和W-3株在不同生长时期进行转录组测序,以及两株菌内致腐相关基因的共进化分析。【结果】灭菌大黄鱼汁中产生挥发性盐基总氮和三甲胺值显示波罗的海希瓦氏菌SB-19株和W-3株分别为强致腐能力和弱致腐能力菌株;平均核苷酸一致性证实SB-19株和W-3株为波罗的海希瓦氏菌,但基于全基因组构建的系统发育树则发现二者之间存在遗传信息上的差异;SB-19株...     

基于RNA-Seq技术分析白藜芦醇对副溶血弧菌生物被膜的抑制作用

【目的】利用可食用植物素抑制致病菌生物被膜受到广泛的关注。本文研究分析白藜芦醇对水产品致病菌副溶血性弧菌(Vibrio parahaemolyticus)生物被膜形成的影响及重要的调控基因。【方法】研究测定亚抑菌浓度白藜芦醇对V.parahaemolyticus生物被膜形成和胞外多糖分泌的影响,采用RNA-Seq技术分析白藜芦醇作用下V.parahaemolyticus基因表达水平变化,并利用荧光定量PCR方法验证部分差异表达基因。【结果】白藜芦醇对V.parahaemolyticus的最小抑菌浓度为20μg/m L,亚抑菌浓度5μg/m L和10μg/m L作用下能显著抑制该菌的生物被膜形成和胞外多糖产量(P0.05),扫描电镜观察发现细菌的粘附量和胞外分泌物显著减少。V.parahaemolyticus在10μg/m L白藜芦醇作用下共检测到106个基因表达量发生显著变化(P0.05),其中上调基因约占22.6%,下调基因约占77.4%。这些基因主要在7条代谢通路中被显著富集,其中外膜蛋白(W,Yed S,Omp K)、群体感应(Lux S)、鞭毛蛋白(Fla A)、菌毛蛋白(Pil Q)、溶血素分泌蛋白等14个调控基因可能与V.parahaemolyticus生物被膜有关,呈现显著下调表达。荧光定量PCR发现lux S、trh、tlh和fla A 4个基因在白藜芦醇作用后表现不同程度的显著下降,与转录组结果一致。【结论】白藜芦醇抑制V.parahaemolyticus生物被膜形成是一个多基因参与、多个生物过程协同调控的过程,其主要通过干扰V.parahaemolyticus新陈代谢过程、群体感应系统、膜蛋白分泌通路,抑制细胞的粘附和生物被膜形成。研究为揭示白藜芦醇抗生物被膜的分子机制提供参考。     

微生物冷休克蛋白的生理功能及其潜在应用

冷休克反应是普遍存在于微生物体内的一种适应环境温度骤降的应答机制,而氨基酸序列高度保守的冷休克蛋白则是调控冷休克反应的重要因子。越来越多的研究表明,冷休克蛋白除了调控冷休克反应外,还参与调控了生物体多个性状,如宿主正常生长和分化、病原菌的侵袭力和致病性以及宿主对多种逆境（高渗透压、抗生素）的应答。综述了冷休克蛋白及其来源、其参与调控的生理性状和基于冷休克反应及冷休克蛋白的应用,以期为发酵条件优化、食品储藏、致病菌抑制以及作物性状改良等方面提供有益参考。     

黄孢原毛平革菌对RBBR脱色降解及其降解机制

为研究白腐真菌对蒽醌染料的生物降解机制,以白腐真菌黄孢原毛平革菌为脱色降解菌株,分析了蒽醌染料活性艳蓝KN-R（RBBR）的浓度、金属离子及脱色参数对染料脱色的影响;采用紫外-可见光谱、红外光谱、气相色谱-质谱（GC-MS）分析和植物种子毒性实验进行降解产物分析,以揭示RBBR可能的降解路径及其产物的毒性。结果表明：在pH 4.2、28℃、5mmol/L的Mn²⁺条件下,脱色降解200mg/L RBBR,24h脱色率可达95%以上。推测RBBR的降解途径为：RBBR中连接苯环和蒽醌的氮键裂解,产生了1-氨基蒽醌和间-(β-羟乙基砜硫酸酯钠)苯胺。1-氨基蒽醌上的氨基被羟基取代,再经过氧化、脱环、重排产生了邻苯二甲酸,接着邻苯二甲酸氧化开环生成丁二酸;同时,间-(β-羟乙基砜硫酸酯钠)苯胺上的氨基被氧化,生成丁二酸及其他小分子酸、二氧化碳和水。植物种子毒性实验表明,黄孢原毛平革菌对RBBR有较好的脱毒作用。综上,黄孢原毛平革菌能高效降解高浓度的RBBR,同时可显著降低染料对植物的毒害作用。     

嗜热四膜虫减数分裂研究进展

减数分裂是真核生物有性生殖过程的关键步骤,染色体的行为变化贯穿整个减数分裂的过程。近些年来,借助先进的分子生物学技术和细胞学实验手段,通过对突变细胞株的筛选和评价,单细胞真核模式生物原生动物嗜热四膜虫(Tetrahymena thermophila)减数分裂方面的研究取得了长足的进展。本文主要介绍嗜热四膜虫减数分裂的过程,以及在此过程中伴随染色体行为变化的相关基因的功能,从而为进一步探讨嗜热四膜虫减数分裂的分子机制提供有效信息。