宏基因组

Metagenomics

宏基因组
宏基因组学是指利用高通量测序等方法,对环境样本中的微生物群体进行基因测序,以获得微生物的基因功能、组成和丰度。宏基因组测序可用于研究微生物群体功能特性、相互协作关系及与环境之间的关系。与传统方法相比,无需纯培养,大大减少了研究的费用、周期并提升了物种丰富度。
研究流程
应用范围

医学研究:疾病标志物筛查,疾病的诊断和分型,疾病复发诊断,病因与病理机制探究,临床疗效评价,药物毒理学评价

生命科学研究:非生物环境关系研究,植物与微生物,在表型鉴定中的应用,代谢途径及功能基因组研究,药用植物研究中的应用

实验设计
微生物多样性研究微生物的组成和丰度,对不同处理或生理状态的样品进行分组,并通过微生物多样性测序对微生物进行注释,并计算丰度,基于丰度和组别,找到不同组别的差异微生物,并用于后续生理机制的研究。
样本要求

土壤/污泥/沉积物 ≥ 3g

瘤胃液/发酵液/组织液 ≥ 3ml

粪便/肠道内容物 ≥ 0.5g

水体滤膜/空气滤膜 ≥ 1张

牛奶/酸奶 ≥ 10ml

样本的保存:液氮 或 -80℃保存

样品运输:干冰运输

生物学重复
为排除个体差异,建议对于临床样品,生物学重复 ≥ 6;对于非临床样品,生物学重复 ≥ 3。
案例分析

炎症性肠病与肠道微生物生态系统的多组学研究

发表时间:2019年
期刊:Nature
影响因子:43.07

炎症性肠病,包括克罗恩病和溃疡性结肠炎,影响着全球数百万人。克罗恩病和溃疡性结肠炎在临床上是多种多样的复杂疾病,免疫、分子、基因和微生物水平。个体因素一直是广泛研究的焦点。做为整合人类微生物群项目(HMP2或IHMP)的一部分,作者对132名受试者进行了为期一年的跟踪研究,以生成疾病期间宿主和微生物活动的整合纵向分子图。

样本及实验方法包括:切片:RNAseq,RRBS,16s;血液:全外,RRBS;粪便:宏基因组,宏转录组,病毒组,蛋白组,代谢组。

在肠道微生物群存在炎症性疾病活动。作者证明了以专性厌氧菌为代价的兼性厌氧菌的特征性增加,以及微生物转录中的分子干扰(例如梭菌)、代谢物池(酰基胆碱酯酶、胆汁酸和短链脂肪酸)。以及宿主血清中抗体水平。疾病活动的时期也以时间变异性的增加为标志,具有特征性的分类、功能和生化变化。最后,综合分析确定了导致这种失调的微生物、生化和宿主因素。提供迄今为止炎症性肠病中宿主和微生物活动最全面的描述。

图1 炎症性肠病活动期间,微生物组、宏转录组和粪便的代谢谱被扰乱

图2 炎症性肠病活动期间结肠上皮分子过程发生紊乱,进行宿主-微生物相互作用整合分析

参考文献
Lloyd-Price J et al., Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases. Nature. 2019 May;569(7758):655-662.