全宏基因組測序技術(shù)

由于擴(kuò)增子測序技術(shù)關(guān)注的是目標(biāo)基因的若干區(qū)域，因此其分辨率有限，一般認(rèn)為較為準(zhǔn)確的分類水平到屬級(jí)別。雖然擴(kuò)增子測序也可以通過數(shù)據(jù)庫映射    可能的功能網(wǎng)絡(luò)，但是微生物遺傳片段交流比較頻繁，功能基因的橫向轉(zhuǎn)移也較為普遍，依托于有限菌株建立的功能映射無法盡可能的還原群落的真實(shí)功能網(wǎng)絡(luò)。

全宏基因組測序技術(shù)直接對(duì)提取的全宏基因組DNA建立隨機(jī)小片段文庫，能夠獲取更多的序列信息。通過組裝、ORFs預(yù)測與注釋，可以大大提高分類水平部分至菌株級(jí)別，并通過各種大型公共數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)功能注釋，盡可能真實(shí)的獲取群落功能網(wǎng)絡(luò)信息。高精度的分析結(jié)果也使相關(guān)動(dòng)物驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)更加具備可行性。

技術(shù)優(yōu)勢：

1、超深度視野：提取的全宏基因組DNA建立隨機(jī)小片段文庫，避免了目的片段的PCR過程，降低bias，隨機(jī)測序，獲取更豐富的序列信息；

2、更精確分類定位：很大限度地獲取全宏基因組序列信息，通過組裝延伸，可精確定位部分序列至分類學(xué)菌株水平；

3、真實(shí)可靠的功能分析：不再是依托映射數(shù)據(jù)庫進(jìn)行功能預(yù)測，而是通過測得的功能基因序列盡可能真實(shí)還原構(gòu)建微生態(tài)系統(tǒng)的功能網(wǎng)絡(luò)。

實(shí)驗(yàn)策略：

信息分析：

技術(shù)參數(shù)：

研究案例：

膳食纖維通過選擇性重塑腸道菌群改善II型糖尿病

Zhao L, Zhang F, Ding X, et al. Gut bacteria ｓelectively promoted by dietary fibers alleviate type 2 diabetes[J]. Science,2018, 359(6380):1151-1156

1、背景：

腸道菌群作為人類的“第二基因組”，其穩(wěn)態(tài)與人體生理代謝水平、免疫系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著密切的關(guān)系。II型糖尿病又名非胰島素依賴型糖尿病，特點(diǎn)是人體自身能夠產(chǎn)生胰島素，但細(xì)胞無法對(duì)其作出反應(yīng)，因此患者的血糖調(diào)控是種失衡狀態(tài)。由于其發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜及伴隨多種并發(fā)癥進(jìn)而成為了影響人類健康的殺手。近年來的研究表明，腸道菌群降解纖維多糖產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可顯著改善II型糖尿病人的治療效果。但是腸道內(nèi)能產(chǎn)生短鏈脂肪酸的微生物種類繁復(fù)，需要找出哪些微生物對(duì)疾病的改善起到至關(guān)重要的作用。

2、方法：

利用宏基因組學(xué)與靶向代謝組學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)高復(fù)合膳食纖維選擇性富集出的產(chǎn)短鏈脂肪(SCFAs)的腸道細(xì)菌可顯著改善2型糖尿病。

3、結(jié)論：

研究表明額外增加大量結(jié)構(gòu)多樣化的膳食纖維，可以快速顯著地改善II型糖尿病人的各項(xiàng)臨床指標(biāo)。該研究發(fā)現(xiàn)干預(yù)前后的樣本中菌群CAZy基因集譜存在顯著差異，干預(yù)模式也對(duì)碳水化合物代謝能力產(chǎn)生了一定影響，具體體現(xiàn)在膳食纖維代謝產(chǎn)物的含量差異上?；谏疃葴y序的宏基因組數(shù)據(jù)組裝出154個(gè)高質(zhì)量細(xì)菌基因組草圖，并在眾多產(chǎn)SCFAs菌種中篩選出15株顯著富集菌株，這些菌株均為在高膳食纖維干預(yù)下II型糖尿病患者腸道中有活性的主要短鏈脂肪酸產(chǎn)生者。通過15個(gè)顯著富集菌株與腸道微生態(tài)系統(tǒng)中其他成員間的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)它們具備更強(qiáng)的生態(tài)競爭力。它們通過發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生短鏈脂肪酸，維持適于自身生長的健康腸道環(huán)境，從而降低有害菌的生長，保持宿主的健康。*終利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證目的菌株對(duì)II型糖尿病的良好調(diào)控作用。

15株顯著富集產(chǎn)SCFAs菌株以及其與生態(tài)系統(tǒng)中其他成員關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)