Illumina长读取技术揭示人肠道微生物多样性惊人
生物帮 · 2015/12/21
12月14日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Biotechnology》杂志上在线发表斯坦福大学Michael Snyder研究员发表的一篇研究论文,研究人员首次将一种新测序技术用于人类肠道微生物组,揭示了惊人的细菌多样性。


12月14日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Biotechnology》杂志上在线发表斯坦福大学Michael Snyder研究员发表的一篇研究论文,研究人员首次将一种新测序技术用于人类肠道微生物组,揭示了惊人的细菌多样性。

Michael Snyder教授说“这些细菌在遗传学上比我们想象的更加多样化”。人类个体之间只有千分之一的基因组序列有差异,而同种细菌的不同个体居然有四分之一的序列存在差异。这样的复杂性非常惊人,我们此前完全没有想到。

过去研究者们只能研究实验室培养的细菌,但大多数细菌其实无法在传统培养基上生长。结果人们一直没能充分认识人类肠道甚至整个世界的细菌多样性。诞生于上世纪90年代的宏基因组学为人们打开了一扇新的大门,揭示了像热带雨林一样多样性丰富的细菌世界。宏基因组学不经过培养阶段,直接提取环境中总DNA进行研究和分析。随着高通量测序技术不断更新换代,宏基因组学得到了快速的发展。然而由于技术限制,宏基因组测序给出的信息还比较模糊。

人类消化道中居住着大量的微生物,它们被统称为肠道微生物组。肠道微生物组在人类代谢食物、抵御感染和应答药物等过程中起到了重要的作用。近年来科学家们发现,人类肠道中的共生菌对人体健康有很大的影响。一些肠道菌有益于人体健康,一些肠道菌与肥胖症、二型糖尿病、肠道病和肝病有关,还有一些肠道菌可以致病甚至致命(比如特定大肠杆菌和霍乱弧菌)。正因如此,肠道微生物组成为了新的研究热点。

研究人员将Illumina长读取技术与计算工具结合起来,克服了短读取测序的技术限制,获得了一名男性肠道微生物组的清晰图谱。

目前大多数基因组测序读出的是短DNA序列。如果只是测序一个基因组(一个细菌或是一个人),我们可以像玩拼图那样把这些片段组装成起来,并没有多么困难。但如果我们是在测序和组装人类肠道的微生物组,就相当于把100个拼图打散混合再尝试将它们拼起来,想一想都令人头大。更具挑战性的是,这些拼图看起来差异不大,而且没有一个可以参考的图片。

“我们通常是通过短读取测序获得一小段一小段的信息,”Snyder说。Snyder及其同事使用新生物信息学方法,将较大的基因组片段装订在一起。“我们用复杂的算法先将小片段组装成10,000-base片段,再将10,000-base片段组装成更长的片段,然后拼出整个基因组。”这种横跨数百甚至数千个基因的长DNA,是很难从短读取测序中复原出来的。这些序列可以帮助人们对细菌进行分类,发现容易被忽略的稀有细菌。

惊人的细菌多样性

这么长的基因组片段不仅能鉴定不同的细菌种属,还可以区分同种细菌的不同菌株。研究人员用已知细菌组成的标准样本测试了自己的方法,并将这种方法用于一名男性的肠道菌样本。研究显示,肠道微生物组包括许多种细菌,同种细菌又包含不同类型的菌株。举例来说,有一种细菌在该男性体内有五个不同的菌株。

目前还很难预计这种多样性对人体健康的影响,不过可以肯定的是不同菌株具有不同的致病性。许多E. coli菌株在人类肠道中是无害甚至有益的,但有些菌株却可能致命。这项研究使用的测序技术可以帮助研究者们明确哪些菌株有危险,以及这些菌株产生危险的原因。

过去的细菌毒力研究需要分离菌株并进行培养,但有些细菌是很难培养的。在人类肠道样本中通过宏基因组测序直接分析毒力基因,不需要进行菌株分离和培养。“这有助于更好的认识致病基因,对于理解发病机理非常有效”。

研究指出,将Illumina长读取技术与短读取测序相结合,能够更加精确和全面的分析宏基因组样本,更容易在人、动物、植物、水和土壤中建立致病菌菌株的进化史。长读取提供的信息让我们可以更加清晰的统观全局。

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