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深度解读 | 下一代测序技术,如何解锁微生物领域研究?

2018-9-13| 编辑: 纳兰烙烙| 查看: 146| 评论: 0|来自: 华大基因

摘要: 微生物大约从35亿年前开始在地球上进化,并占据地球生物圈的每个可居住环境。尽管微生物影响着地球上一些关键功能,例如碳和养分循环,以及植物和动物的健康与疾病,但数万亿的微生物中有超过99%尚未被发现。此外, ...

微生物大约从35亿年前开始在地球上进化,并占据地球生物圈的每个可居住环境。尽管微生物影响着地球上一些关键功能,例如碳和养分循环,以及植物和动物的健康与疾病,但数万亿的微生物中有超过99%尚未被发现。此外,由于微生物的多样性很高,所以很难研究微生物组中复杂微生物群落所执行的特定功能(例如居住在土壤或人类肠道中的所有微生物)。


传统的微生物检测方法,难于发现新型或变异的微生物,并且一般需要基于分离培养,但分离培养耗时长,操作复杂,且自然界中约有99%的微生物是不能在实验室条件下进行培养纯化的,其中蕴含着大量潜能微生物及基因资源。因此,需要一种能被所有菌种通用、分辨率高、分型能力强、可重复性好、速度快、通量高的微生物检测方法,高通量测序技术在一定程度上恰好可以满足这些需求。


微生物研究的“三大黄金时期”

微生物学研究经历了三个黄金时期,第一个黄金时期大概爆发于19世纪中叶到20世纪初,并一直持续到20世纪后半段,以“发现、培养微生物并阐明其意义”为根本特征,其中的代表性人物包括列文虎克、科赫、巴斯德、马歇尔、汤飞凡等。金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、志贺氏菌、伊尔森氏鼠疫细菌以及我们熟知的益生菌——保加利亚乳杆菌等,就是在这个时期被发现的。微生物学的第二个黄金时期始于20世纪40年代,以“细菌遗传基础揭示”为根本特征。在这个时期,人类明确了遗传物质的组成和结构、噬菌体与细菌的相互作用原理、利用质粒和噬菌体进行转化和转导的方法等,分子生物学工具被大量使用,微生物本身的研究相对减少。而现在我们处于微生物学的第三个黄金时期,以“揭示人体微生物组与健康的关系”为代表性研究方向,人类充分利用各种组学工具,正在全面揭示微生物组的奥秘2。



微生物研究全面进入“测序时代”

占据测序领域近三十年(从1977年到2005年)的Sanger测序方法曾经需要数年才能完成单个细菌基因组测序,于1995年完成第一个细菌基因组流感嗜血杆菌。随着新一代测序技术的速度和通量显著提高以及成本的大幅下降,NGS技术发展到现在仅需不到一天时间即可完成一个细菌全基因组测序,极大促进了对复杂微生物组及其功能的研究。


然而,自然界中超过99%的微生物难以用传统的方法进行纯培养,因此无法对它们开展依赖于分离培养或基础方面的研究。1998年由威斯康辛大学植物病理学部门的Jo Handelsman等最早提出宏基因组(或元基因组)的概念,源于将来自环境中基因集可以在某种程度上当成一个单个基因组研究的想法,宏的英文是“meta-”,具有更高组织结构和动态变化的含义。后伯克利分校的研究人员Kevin Chen和Lior Pachter将宏基因组定义为“应用现代基因组学的技术直接研究自然状态下的微生物的有机群落,而不需要在实验室中分离单一的菌株”的科学。


宏基因组鸟枪法测序,能得到整个环境微生物群落的遗传信息,而人体微生物组,尤其是人肠道微生物组,基因数量远超过宿主,更是被称为人体“第二套基因组”。通过宏基因组关联研究(MWAS)使得人类微生物组与复杂疾病,如二型糖尿病、肥胖症、肝硬化、结直肠癌和类风湿性关节炎等之间高分辨率的关联研究成为可能3。基于人肠道的微生物组研究关联研究目前更多处在科研探索阶段,除需确定关联是否代表因果关系的问题,还需要进一步考虑如何在未来使用MWAS进一步阐明疾病的病因、预防和治疗干预。


同时,无偏倚宏基因组测序可能彻底改变我们发现病原体的能力,特别是发现新的病原体。2014年美国学者在《新英格兰医学杂志》报道了世界首例采用脑脊液二代测序诊断疑难神经系统感染(钩端螺旋体感染)的病例。该文指出,由于超过100种不同的传染因素可引起脑炎,使用培养物进行诊断,血清学和病原体特异性PCR检测均比较困难,无偏倚的NGS测序与生物信息分析相结合,为临床提供了一种可行的诊断感染性疾病的方法4。美国FDA于2016年5月13日发布了“基于下一代测序的传染病诊断设备:微生物鉴定及耐药性和毒力标志物的检测”的指南草案,以确定NGS诊断设备的分析及临床性能,用于微生物感染的诊断和合适疗法的选择。由此可见,传染病的NGS检测已经越来越被接受,应用前景十分广阔。


华大智造助力微生物领域研究

针对传染病检测的这一特定需求,华大智造潜心三年推出了从样本采集、核酸提取、文库制备、高通量测序到信息分析的一站式微生物检测解决方案,同时提供配套的自动化样本制备系统、一键式生信分析服务器、实验室信息管理系统及完善的售前、售后支持,能够帮助广大科研工作者和一线人员在本地一站式轻松实现基于高通量测序的微生物检测。

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