宏基因組測序揭示神秘的生命領域

日期：2016-10-25 09:10:43

美國國家能源部Lawrence Berkeley實驗室和加州大學伯克利分校的研究人員采用科羅拉多蓄水層的沉積物和地下水樣本，通過宏基因組測序重建了二千五百多個微生物的基因組。這項研究發表在十月二十四日的Nature Communications雜志上，為人們揭示了地下世界驚人的生物學多樣性，給生命之樹增添了幾十個新的分支。

微生物幾乎是無所不在的，它們對生態環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的。過去的微生物組研究主要是進行16S rDNA基因測序。隨著測序成本的直線下降，針對整個菌群的宏基因組測序越來越受到青睞，因為這一技術能夠提供更全面的基因組和功能信息。

這項研究獲得的基因組覆蓋了已知細菌類群的80%，對于一個特定地點來說這樣的生物多樣性相當驚人。研究人員還發現了47種新細菌并為它們一一命名。加上去年報告的35種細菌，研究人員使已知細菌的種類增加了一倍。

“為了更好地理解這些地下微生物承擔的功能，我們分析了它們的整個基因組。研究顯示，這些微生物之間的相互依存關系比我們之前看到的更加緊密，”這篇文章的第一作者，加州大學伯克利分校的Karthik Anantharaman說。這些地下微生物相互協作，共同推動地球上至關重要的碳循環、氫循環、氮循環和硫循環。

此前，美國能源部聯合基因組研究所的研究團隊收集了來自1776種環境（包括17個人體區域）的微生物宏基因組數據，在其中尋找所謂的“重編碼事件”。他們專門就終止密碼子（命令蛋白合成停止的遺傳序列）的重編碼事件進行分析，尋找那些把終止密碼子當成“前進”信號，還繼續往蛋白上添加氨基酸的事件。研究表明，這樣的事件在環境樣本中大量存在。

人類消化道居住的大量微生物被統稱為腸道微生物組。腸道微生物組在人類代謝食物、抵御感染和應答藥物等過程中起到了重要的作用，許多人類疾病都與微生物組失衡有關。我們知道腸道菌群的菌種組成是因人而異的，宏基因組測序進一步揭示了微生物組驚人的復雜性。華盛頓大學的科學家們發現，在人們共有的一些細菌中還存在著廣泛的菌株差異。這是首次在腸道菌群中大規模分析菌種內部的基因變異。

J. Craig Venter研究所的研究團隊在Venter本人的領導下，用不同的二代測序文庫制備方法進行宏基因組測序。他們發現，文庫制備方法會顯著影響人類微生物組研究中的基因組和功能預測。這項研究發表在美國國家科學院院刊PNAS雜志上。Venter是基因組測序的先行者，還合成了首個人造細胞，被稱為“科學狂人”。