有聲專欄-宏基因組專業辭彙講解——001宏基因組

對於剛接觸宏基因組的同學，想必有很多概念不明白，那麼接下來就讓我帶領大家走進宏基因組。今天先讓我們系統的認識一下宏基因組。

宏基因組基本概念

自然界中存在數量巨大、種類繁多的微生物，人類目前僅分離培養了其中很小的一部分。如何清楚的認識環境樣品中微生物群落的組成和功能基因是困擾大家多年的難題，近年來隨著新一代測序技術發展而來的宏基因組技術解決了這一難題。

圖1. 生命之樹(宏基因組技術極大的擴展我們所了解的生命之樹)。2016 nature microbiology

宏基因組英文metagenome，早期也被稱為元基因組。其含義分為廣義和狹義兩種。廣義的宏基因組或宏基因組學泛指研究微生物群體組成、功能基因、代謝產物的學科、以揭示微生物組組成結構、微生物組與宿主、微生物組內的相互作用關係。

狹義的宏基因組，即宏基因組DNA測序技術——僅指對微生物群落DNA進行高通量測序，鑒定群體中所有功能基因的種類和丰度。該方法又分為實驗和分析兩個階段，實驗階段主要包括樣本採集、DNA提取、高通量測序；數據分析階段主要包括序列質量控制、組裝、基因預測和定量、物種鑒定、樣本組間差異功能基因和通路的比較等。

圖2. 宏基因組DNA測序和分析流程。2012 Microb Inform Exp

宏基因組常用技術

宏基因組學是一門基於技術發展而來的學科，我們淺談一下本領域常用的技術手段。

宏基因組按研究技術手段和層面 上的不同，主要分為擴增子測序、宏基因組、宏轉錄組、宏病毒組、宏表觀組、宏蛋白組和宏代謝組幾大類：

圖3. 擴增子(a)、宏基因組(b)、多組學(宏基因+宏蛋白+宏代謝c)研究範圍。2016 nature reviews urology

最常用的是擴增子和宏基因組測序技術。

圖4. 展示常用的16S擴增子、宏基因組、宏轉錄組和宏病毒組的技術路線。

擴增子測序——以DNA為研究對象，使用PCR擴增一類微生物共有的Marker基因，以揭示目標群體的組成與丰度；常用的有16S rRNA基因測序研究細菌古菌的組成(即人們常說的16S測序)、ITS/18S測序研究真菌、原生動物等真核生物組成、nifH基因測序研究固氮相關微生物群體等；優點是簡單快速、成本低、分析方法成熟；缺點是只能反映群落組成，無法獲得進一步的功能基因信息。目前常用的測序平台有Illumina Hiseq2500和MiSeq等。

宏基因組測序——是指對研究對象中所有DNA進行測序，其中會有細菌、古菌、原生動物、病毒、真菌和宿主基因組，DNA不需要進行PCR擴增，測序結果具有較好的無偏性，不僅可以提示微生物群落的物種組成，更能獲得功能基因組種類和丰度。但分析過程的難度和硬體要求較高，而且結果中功能基因很難與物種對應，是機遇與挑戰並存的領域。目前主要採用HiSeq X Ten, NovaSeq等產出數據，人類腸道有較好的參考基因集，其它物種和環境的研究仍需較大的計算工作量，目前主要在有一定軟硬體基礎的實驗室開展，或外包生物類公司。

此外還有很多新興的技術領域，如：

圖5. 宏基因組常用技術的研究層面及相互關係

宏轉錄組——以RNA為研究對象，揭示微生物群落整體的轉錄樣式、更能提示群落目前的生活狀態。

宏病毒組——發現微生物群落中所有病毒，需要同一個樣品分別進行宏基因組和宏轉錄組測序，因為病毒主要分類DNA病毒和RNA病毒兩大類。

宏表觀組——研究微生物群體水平DNA、RNA表觀遺傳學修飾，如2017年末紐約西奈山醫學院的房剛老師在Nature Biotechnoloy中發表宏基因組中測序DNA腺嘌呤甲基化(6mA)的研究屬於此領域的技術先鋒，發現6mA可用於區分測序結果中不同細菌的基因組與質粒。

宏蛋白組——研究微生物群體中蛋白的組成。

宏代謝組——研究對象中的所有代謝物的組成。

宏基因組研究對象

按研究對象，主要分為人類宏基因組、動物宏基因組、植物宏基因組和環境宏基因組等；

宏基因組研究的優點和不足

宏基因組學最大的優勢，是研究特定環境中的總DNA，不是某特定的微生物或其細胞中的總DNA，不需要對微生物進行分離培養和純化，這對我們認識未培養微生物提供了一條新的途徑。發現了許多新的微生物種群和新的基因或基因簇，通過克隆和篩選，獲得了新的生理活性物質，包括抗生素、酶以及新的藥物等。

但由於研究對象的複雜性，宏基因組研究中仍有很多難點和技術，如無法分辨差異功能基因的來源、目標菌種無可用資源無法深入研究等，也正說明了宏基因組領域仍處在發展的初級階段，有待相關測序技術、分析方法的進一步發展。

今天的講解就先到這裡，相信大家對宏基因組己經有了一個系統的認識。進一步學習本領域知識，歡迎關注「宏基因組」公眾號。

參考文獻

宏基因組 https://baike.baidu.com/item/宏基因組

宏基因組學 https://baike.baidu.com/item/宏基因組學

Metagenome = Metagenomics https://en.wikipedia.org/wiki/Metagenomics

Nat Biotech: 宏表觀組—DNA甲基化輔助宏基因組binning

The microbiome of the urinary tract—a role beyond infection http://www.nature.com/nrurol/journal/v12/n2/full/nrurol.2014.361.html

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%83%E5%9F%BA%E5%9B%A0%E7%B5%84%E5%AD%B8

A new view of the tree of life, 2016, nature microbiology

Torsten Thomas, Jack Gilbert, and Folker Meyer - Thomas T, Gilbert J, Meyer F (2012). Metagenomics-a guide from sampling to data analysis. Microb Inform Exp, 2(3)

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