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。     

微生物基因组研究进展

本综述了微生物全基因组测序的基本方法,数据收集和组装,序列缺口的填充、全基因组序列注释。同时对微生物基因组的研究现状和重大意义也作了简单概述。     

环境微生物基因组技术研究进展

环境微生物基因组学是基于功能和序列的基础上对得到的环境样品基因组进行分析的科学,是目前国际生物技术研究开发的最新热点之一。对环境微生物基因组技术的概念、研究策略和筛选方式进行了介绍,并对该技术存在的问题和未来发展方向做了展望。     

浅谈微生物基因组的进化研究

近十几年来,随着大规模DNA测序技术的飞速发展,今天拥有了包括我们人类自己在内的近千种不同细胞生物的全基因组参考序列,而如何比较分析这么多的基因组数据是生物学家面临的一大挑战.结合我们研究组的一些工作,重点介绍进化生物学家是如何利用这些丰富的基因组数据--特别是原核生物的基因组序列--通过挑选不同的分子标记,计算分析并重建这些系统发育关系,以期帮助人们更好地理解地球生命的起源与进化.生命系统对地球环境变化的作用,以及微生物与人类健康的关系等一系列科学问题.     

微生物完整基因组测定中的Gap closure策略

微生物基因组空缺区域(Gap)中可能存在重要的生物学信息,如果无法补齐所有Gap,不仅不能获得完整的基因组图谱,还会给后续的基因组信息解读造成很大困难。而基因组空缺区域填充(Gap closure)是获得微生物基因组完成图的关键,本文结合作者以及借鉴上海人类基因组研究中心在微生物基因组Gap closure中的经验,针对微生物基因组Gap closure常用的6种策略:参考序列比对、多引物PCR、基因组步移、基因组文库克隆末端测序、末端配对(Paired-End)以及基因组光学图谱技术进行综述。     

应用生物信息学技术对植物表达序列标签(EST)的大规模分析

目前 ,一些基因组较小的植物 (如拟南芥 ,水稻等 )的全基因组已经基本完成测序 ,较大基因组的测序工作则主要集中在基因组中表达基因的测序上 ,表达序列标签 (EST)计划由此产生。研究表明 ,对EST进行大规模研究已成为功能基因组学研究的最佳途经之一。本文着重介绍和讨论应用生物信息学技术对植物EST数据的大规模分析。     

高通量测序技术在食品微生物研究中的应用

高通量测序技术的快速发展对食品微生物发酵过程和机制研究产生了深刻的影响,主要体现在食品微生物生理功能、代谢能力和进化的研究以及食品微生物群落结构、动态变化及其对环境的响应机制等方面。另外,通过对食品微生物基因组和元基因组进行数据分析,也对食品发酵过程优化、微生物功能改造、食源性微生物疾病预防和控制等提供了重要的依据。本文总结了近年来利用高通量测序技术对食品微生物基因组和元基因组进行测序的研究,并探讨了测序技术的发展对食品微生物研究的影响及发展趋势。     

基于微生物基因组序列开发疫苗的研究进展与分析

疫苗的问世,使得许多危害人类健康的疾病得到了控制,对全世界人类预防和治疗疾病方面发挥了不可磨灭的作用,而一些特殊的病原体所引起的人类疾病的危害性是极大的,但采用传统的方法根本无法制备其安全有效的疫苗。直到20世纪末,微生物全基因组测序、生物信息学分析、蛋白质组学和DNA芯片技术的发展为疫苗研究领域带来了前所未有的变革。基于微生物基因组序列开发疫苗的新方法应运而生,为采用传统方法无法取得成功的疫苗的制备带来了光明。本文从基于微生物基因组序列开发疫苗的可行性、原理、实验方法以及应用等方面进行了综述。     

微生物功能基因组学研究

自从1995年流感嗜血杆菌的基因组序列测定完成之后[1],目前已有75种(株)微生物的基因组完成测序,160多种(株)微生物的基因组测序正在进行中[2]。随着各种微生物基因组测序工作的不断完成和序列信息的积累,微生物基因组学研究的重点已由结构基因组学向功能基因组学转移。微生物功能基因组学研究不仅要阐明微生物基因组内每个基因的作用或功能,还要研究基因的调节及表达谱,进而从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构、功能、机理的高度去了解微生物生命活动的全貌,揭示微生物世界的各种前所未知的规律,并使之为人类和社会服务。与真核生物相比,虽然微生物的基因组相对简单,但微生物基因组学研究仍具有重大的科学和经济意义。在细菌基因组中,既有编码在极端环境下起催化作用的酶的基因,也有编码分解化学污染物的酶的基因,这些基因在真核细胞是不存在的。通过微生物功能基因组学研究,还能发现药物靶位和疫苗抗原。微生物基因的功能及表达研究结果也能为研究复杂生物的基因功能提供参考。近些年微生物功能基因组学研究受到了普遍重视。日本组织了十几所大学和研究机构,计划用5年时间完成大肠杆菌的功能基因组研究[3]。日本还与欧洲联合正在开展枯草杆菌功能基因组学研究[4]。其它微生物的功能基因组学研究也在进行中。由于微生物的种类繁多,功能基因组研究的内容又较丰富,要全面介绍微生物功能基因组学研究是困难的。本文仅从未知功能基因的鉴定、药物靶位及疫苗抗原研究、致病机制研究、生物功能图谱研究4个方面进行简要的评述。     

单分子实时测序技术在环境微生物研究中的应用

1975年,第一个cDNA的基因组——噬菌体фX174基因组的测序完成,标志着测序时代的开始。1996年以来人类基因组计划的发起极大地推动了测序技术的应用和发展,第二代测序技术也被称为高通量测序技术。而单分子DNA测序技术是最近10年内发展起来的新一代的测序技术,称为第三代测序技术,其中包括单分子实时测序(Single molecule real time sequencing,SMRT)、真正单分子测序和单分子纳米孔测序等技术。SMRT测序技术有超长读长、测序周期短、不需要模板扩增和直接检测表观修饰位点等特点,为研究人员提供了新的选择。本文综述了SMRT测序技术的基本原理、性能以及它在微生物16S rRNA基因、微生物全基因组以及微生物宏基因组测序等方面的应用,并分析了SMRT测序技术在环境微生物应用中的优势以及存在的问题。     

微生物基因组序列测量及其重大意义

微生物基因组测序不仅可使人们更好地了解病原微生物的致病机制以及它们与宿主的相互关系,促进寻找更灵敏及特异的病毒原微生物的诊断,分型手段,而且为临床筛选有效的药物及发展疫苗提供参考,此外,它还能提高对人类相关基因功能的认识,为探讨人类遗传性疾病机制提供参考,本文就微生物序列测定重大的理论及应用价值作一简要概述。     

探索部分测序的基因组对元基因组分类的影响

很多分类软件在序列分类时,只能使用完全测序的微生物基因组序列作为参考库。然而,很多微生物没有完整的基因组数据,只有部分测序的数据。本研究旨在探究这些未完全测序的数据对微生物的分类有什么样的影响。本实验从NCBI上下载了细菌的完全测序的基因组数据和未完全测序的基因组数据。利用本实验室自行开发的序列模拟软件Ne SSM和短序列分类软件Meta Bin G,以hc、mc两个物种比例模拟出元基因组数据作为测试数据,以参考库CG(只含有完全测序的细菌基因组序列)和PCG(同时含有部分测序的细菌基因组序列和完全测序的细菌基因组序列)作为比对库,对测试序列进行分类,并按照门、纲、目、科、属、种的水平对分类结果的准确率和运行时间进行统计。结果显示不同分类水平下,参考库中添加入未完全测序的数据均能提高对微生物分类的准确性。     

原核生物蛋白质基因组学研究进展

随着基因组测序技术的不断发展,大量微生物基因组序列可以在短时间内得以准确鉴定。为了进一步探究基因组的结构与功能,基于序列特征与同源特征的基因组注释算法广泛应用于新测序物种。然而受基因组测序质量以及算法本身准确性偏低等问题的影响,现有的基因组注释存在着相当比例的假基因以及注释错误,尤其是蛋白质N端的注释错误。为了弥补基因组注释的不足,以基因芯片或RNA-seq为核心的转录组测序技术和以串联质谱为核心的蛋白质组测序技术可以高通量地对基因的转录和翻译产物进行精确测定,进而实现预测基因结构的实验验证。然而,原核生物细胞中存在的大量非编码RNA给转录组测序技术引入了污染数据,限制了其对基因组注释的应用。相对而言,以串联质谱技术为核心的蛋白质组学测序可以在短时间内鉴定到生物体内大量的蛋白质,实现注释基因的验证甚至校准。已成为基因组注释和重注释的重要依据,并因而衍生了"蛋白质基因组学"的新研究方向。文中首先介绍传统的基于序列预测和同源比对的基因组注释算法,指出其中存在的不足。在此基础上,结合转录组学与蛋白质组学的技术特点,分析蛋白质组学对于原核生物基因组注释的优势,总结现阶段大规模蛋白质基因组学研究的进展情况。最后从信息学角度指出当前蛋白质组数据进行基因组重注释存在的问题与相应的解决方案,进而探讨未来蛋白质基因组学的发展方向。     

2020微生物组测序与分析专题序言

微生物是人体、动植物、土壤、沉积物、水体、空气等生境中最重要的生命体。对这些生境中微生物的分析已经成为一项基础的研究技术。微生物组测序与分析作为近年来快速发展的技术,已经在人类健康、环境污染治理、食品工业以及农牧业等领域得到了广泛应用。为了梳理和总结微生物组测序与分析技术的现状、发展状况和应用前景,本专题收录了16篇本领域的论文,分别从样本保存和处理、单菌基因组测序与分析、特殊生境中的微生物组特征分析、微生物组相关数据库和算法以及微生物组测序与分析专家共识等方面,详细介绍了微生物组测序与分析领域的发展态势,为推动我国微生物组测序与分析产业和科研的快速发展、促进微生物组相关产业的良性发展提供必要的参考。     

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。     

纳米孔测序技术在环境微生物研究中的应用

高通量测序技术是研究环境微生物的有效手段,而以纳米孔测序为代表的第三代测序技术以其测序读长长、测序速度快、测序数据实时监控、仪器方便携带、无GC偏好性、无需经过PCR扩增等显著优势有力推动了环境微生物研究的发展.本文对纳米孔测序技术的技术原理和特点进行了简要概述,重点介绍了纳米孔测序技术在环境微生物扩增子测序、宏基因组...     

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。     

环境基因组学

目前人们对于微生物生物多样性的认识是带有偏颇的,偏向于那些可以在实验室中培养的微生物。但这种情况最近由于两篇文章的发表得到了改观。这两篇文章都成功地将基因组鸟枪法测序和环境微生物取样结合在一起,从两个环境样品中获得了大量的DNA序列。     

基因组时代的放线菌系统分类学及其研究进展

由于放线菌在生物技术、医药卫生和环境治理等领域中的实际重要性,已经成为人们研究得最为深入的微生物类群之一。现代放线菌分类学是建立在对16S rRNA基因保守分子序列的系统发育学分析基础上、综合利用多种微生物信息的多相分类学(polyphasic taxonomy)。随着大规模基因测序技术的飞速发展,已经完成了超过100株放线菌的全基因组序列。近年来发展起来的"基因组系统发育学"有助让人们更加系统地理解放线菌类群的发生、演化,以及不同生境类群之间的相互关系。随着越来越多的以系统发育学为指导的基因组测序研究项目,例如"细菌和古菌基因组百科全书(Genomic Encyclopedia of Bacteria andArchaea,GEBA)计划"的出现,标志着放线菌系统学进入了基因组学研究时代。本文对基因组时代的放线菌系统学方法,以及国内外的相关研究成果进行综述。     

微生物分子生态学发展历史及研究现状

微生物群落多样性是微生物生态学和环境学研究的重点之一。分子生物学方法应用于微生物群落结构分析使得对环境样品中占大多数的不可培养微生物的研究成为了可能。由于功能上高度保守,序列上的不同位置具有不同的变异速率,核糖体RNA（rRNA）是目前在微生物分子生态学上最为有用以及应用最广泛的分子标记,通过rRNA序列比对,可以分析不同分类水平的系统发育关系。元基因组学研究方法通过对环境样品中的各种微生物群落的总的基因组进行分析,充分展示了环境微生物代谢途径,极大地扩展了对微生物的认识。快速发展的高通量测序极大地促进了各项微生物生态学技术的发展,带来了新的突破。