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Illumina長(cháng)讀取技術(shù)揭示人腸道微生物多樣性驚人

2015-12-21 來(lái)源:健客網(wǎng)社區  標簽: 掌上醫生 喝茶減肥 一天瘦一斤 安全減肥 cps聯(lián)盟 美容護膚
摘要:MichaelSnyder教授說(shuō)“這些細菌在遺傳學(xué)上比我們想象的更加多樣化”。人類(lèi)個(gè)體之間只有千分之一的基因組序列有差異,而同種細菌的不同個(gè)體居然有四分之一的序列存在差異。這樣的復雜性非常驚人,我們此前完全沒(méi)有想到。

  12月14日,國際學(xué)術(shù)權威刊物自然出版集團旗下子刊《NatureBiotechnology》雜志上在線(xiàn)發(fā)表斯坦福大學(xué)MichaelSnyder研究員發(fā)表的一篇研究論文,研究人員首次將一種新測序技術(shù)用于人類(lèi)腸道微生物組,揭示了驚人的細菌多樣性。

  MichaelSnyder教授說(shuō)“這些細菌在遺傳學(xué)上比我們想象的更加多樣化”。人類(lèi)個(gè)體之間只有千分之一的基因組序列有差異,而同種細菌的不同個(gè)體居然有四分之一的序列存在差異。這樣的復雜性非常驚人,我們此前完全沒(méi)有想到。

  過(guò)去研究者們只能研究實(shí)驗室培養的細菌,但大多數細菌其實(shí)無(wú)法在傳統培養基上生長(cháng)。結果人們一直沒(méi)能充分認識人類(lèi)腸道甚至整個(gè)世界的細菌多樣性。誕生于上世紀90年代的宏基因組學(xué)為人們打開(kāi)了一扇新的大門(mén),揭示了像熱帶雨林一樣多樣性豐富的細菌世界。宏基因組學(xué)不經(jīng)過(guò)培養階段,直接提取環(huán)境中總DNA進(jìn)行研究和分析。隨著(zhù)高通量測序技術(shù)不斷更新?lián)Q代,宏基因組學(xué)得到了快速的發(fā)展。然而由于技術(shù)限制,宏基因組測序給出的信息還比較模糊。

  人類(lèi)消化道中居住著(zhù)大量的微生物,它們被統稱(chēng)為腸道微生物組。腸道微生物組在人類(lèi)代謝食物、抵御感染和應答藥物等過(guò)程中起到了重要的作用。近年來(lái)科學(xué)家們發(fā)現,人類(lèi)腸道中的共生菌對人體健康有很大的影響。一些腸道菌有益于人體健康,一些腸道菌與肥胖癥、二型糖尿病、腸道病和肝病有關(guān),還有一些腸道菌可以致病甚至致命(比如特定大腸桿菌和霍亂弧菌)。正因如此,腸道微生物組成為了新的研究熱點(diǎn)。

  研究人員將Illumina長(cháng)讀取技術(shù)與計算工具結合起來(lái),克服了短讀取測序的技術(shù)限制,獲得了一名男性腸道微生物組的清晰圖譜。

  目前大多數基因組測序讀出的是短DNA序列。如果只是測序一個(gè)基因組(一個(gè)細菌或是一個(gè)人),我們可以像玩拼圖那樣把這些片段組裝成起來(lái),并沒(méi)有多么困難。但如果我們是在測序和組裝人類(lèi)腸道的微生物組,就相當于把100個(gè)拼圖打散混合再?lài)L試將它們拼起來(lái),想一想都令人頭大。更具挑戰性的是,這些拼圖看起來(lái)差異不大,而且沒(méi)有一個(gè)可以參考的圖片。

  “我們通常是通過(guò)短讀取測序獲得一小段一小段的信息,”Snyder說(shuō)。Snyder及其同事使用新生物信息學(xué)方法,將較大的基因組片段裝訂在一起。“我們用復雜的算法先將小片段組裝成10,000-base片段,再將10,000-base片段組裝成更長(cháng)的片段,然后拼出整個(gè)基因組。”這種橫跨數百甚至數千個(gè)基因的長(cháng)DNA,是很難從短讀取測序中復原出來(lái)的。這些序列可以幫助人們對細菌進(jìn)行分類(lèi),發(fā)現容易被忽略的稀有細菌。

  驚人的細菌多樣性

  這么長(cháng)的基因組片段不僅能鑒定不同的細菌種屬,還可以區分同種細菌的不同菌株。研究人員用已知細菌組成的標準樣本測試了自己的方法,并將這種方法用于一名男性的腸道菌樣本。研究顯示,腸道微生物組包括許多種細菌,同種細菌又包含不同類(lèi)型的菌株。舉例來(lái)說(shuō),有一種細菌在該男性體內有五個(gè)不同的菌株。

  目前還很難預計這種多樣性對人體健康的影響,不過(guò)可以肯定的是不同菌株具有不同的致病性。許多E.coli菌株在人類(lèi)腸道中是無(wú)害甚至有益的,但有些菌株卻可能致命。這項研究使用的測序技術(shù)可以幫助研究者們明確哪些菌株有危險,以及這些菌株產(chǎn)生危險的原因。

  過(guò)去的細菌毒力研究需要分離菌株并進(jìn)行培養,但有些細菌是很難培養的。在人類(lèi)腸道樣本中通過(guò)宏基因組測序直接分析毒力基因,不需要進(jìn)行菌株分離和培養。“這有助于更好的認識致病基因,對于理解發(fā)病機理非常有效”。

  研究指出,將Illumina長(cháng)讀取技術(shù)與短讀取測序相結合,能夠更加精確和全面的分析宏基因組樣本,更容易在人、動(dòng)物、植物、水和土壤中建立致病菌菌株的進(jìn)化史。長(cháng)讀取提供的信息讓我們可以更加清晰的統觀(guān)全局。

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