科學家開發(fā)新的宏基因組分析工具

日期：2016-10-19 09:00:22

對環(huán)境樣品（如海水、醫(yī)院表面和人類腸道）直接進行微生物測序，已經(jīng)闡明了我們世界中存在的大量微生物。然而，一個微生物物種可能存在遺傳多樣性，而在宏基因組分析中往往捕獲不到這種多樣性。最近在《Genome Research》發(fā)表的一項研究中，科學家們開發(fā)了一種新的工具，來檢測細菌物種內(nèi)的遺傳差異，并在母嬰微生物組和海洋宏基因組中發(fā)現(xiàn)了一種新的傳播模式，此前在物種水平的分析中沒有發(fā)現(xiàn)。

在一個給定的細菌物種中，基因內(nèi)容可能與參考基因組有50%或更多的不同。本文資深作者、來自Gladstone研究所和加州大學舊金山分校的Katherine Pollard博士說：“這表明在菌株水平上的大量變異可能有真正的功能性后果。因此，迫切需要一種高效的計算工具，量化來自于鳥槍宏基因組學數(shù)據(jù)的這種變異。”

研究人員開發(fā)了一種工具——MIDAS，用于快速分析不同菌株之間的基因內(nèi)容和單核苷酸變異的差異。為了創(chuàng)建MIDAS，研究人員首先生成一個數(shù)據(jù)庫，包含31007個高品質(zhì)的細菌基因組。使用一組（30個）高信息量的“通用”基因，他們將基因組進行了分層聚類，以定義物種。研究人員能夠?qū)⒁郧拔醇幼⑨尩幕蚪M的8.6%分配到一個物種。

研究人員將MIDAS運用于 98個母嬰大便宏基因組，利用株系水平的遺傳差異，來追蹤母親和嬰兒之間的細菌差異。本文第一作者、加州大學舊金山分校的研究生Stephen Nayfach說：“株系水平的變異所揭示的模式，與從物種水平上所推測的模式相矛盾。”以往的研究表明，在生命的第一年，母親和嬰兒的微生物組變得更加相似。然而，通過檢測“標記的等位基因”，或罕見的遺傳差異，研究人員發(fā)現(xiàn)，早期定植的菌株是從母親傳遞給嬰兒的，但后期定植的菌株則是不同的，可能是從環(huán)境中獲得的。Pollard說：“嬰兒的腸道微生物組在第一年成熟，從而給我們的印象是來自于母親的持續(xù)傳播。但細菌中的遺傳變異表明，所獲得的菌株往往跟母親的并不相同。”

研究人員還將MIDAS應(yīng)用于在世界各地海洋的不同深度收集的海洋樣品。最普遍的海洋細菌在基因含量上存在差異，這與地理緊密相關(guān)。還需要開展進一步的工作，弄清不同位置之間的遺傳差異是否是適應(yīng)性或物種內(nèi)遺傳漂移的結(jié)果。Pollard說：“下一個大的挑戰(zhàn)是，揭開推動微生物組中種群結(jié)構(gòu)的動力，并將這種變異性與宿主和環(huán)境特征聯(lián)系起來。”

微生物幾乎是無所不在的，它們對生態(tài)環(huán)境和人體健康起到了不容忽視的作用。然而人們對微生物的了解還相當匱乏，因為許多微生物是無法在實驗室中培養(yǎng)的。宏基因組學是了解這些微生物的重要途徑，但宏基因組測序并不是一件容易的事兒，就像是把許多拼圖拆散混在一起，然后在毫無參考的情況下拼接。因此，科學家們針對宏基因組分析開展了大量的嘗試和研究。

在2014年7月6日的《Nature Biotechnology》雜志發(fā)表的一項研究中，來自丹麥工業(yè)大學（DTU）、華大基因、華南理工大學和哥本哈根大學等處的研究人員提出一種方法，基于對一系列宏基因組樣品的co-abundant基因進行分級，可讓研究人員能夠全面發(fā)現(xiàn)新的微生物、病毒和共遺傳的基因?qū)嶓w，并有助于微生物基因組的組裝，而無需參考序列。

美國Los Alamos國家實驗室的科學家們在2015年3月的Nucleic Acids Research雜志上，向人們展示了一個宏基因組分析的新工具，有助于對各種微生物群體（包括海洋、土壤和腸道微生物）進行DNA分析。

今年2月份，Nature Methods雜志發(fā)布了一個名為TruSPADES的強大工具，可以大大提升研究者們測序宏基因組的能力。這種算法能將Illumina測序儀生成的300bp短讀取，合并成大約1萬bp的基因組片段（Synthetic Long Reads）。