科学家开发新的宏基因组分析工具

2016-10-19 12:01 来源: 生物通
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  对环境样品(如海水、医院表面和人类肠道)直接进行微生物测序,已经阐明了我们世界中存在的大量微生物。然而,一个微生物物种可能存在遗传多样性,而在宏基因组分析中往往捕获不到这种多样性。最近在《Genome Research》发表的一项研究中,科学家们开发了一种新的工具,来检测细菌物种内的遗传差异,并在母婴微生物组和海洋宏基因组中发现了一种新的传播模式,此前在物种水平的分析中没有发现。

  在一个给定的细菌物种中,基因内容可能与参考基因组有50%或更多的不同。本文资深作者、来自Gladstone研究所和加州大学旧金山分校的Katherine Pollard博士说:“这表明在菌株水平上的大量变异可能有真正的功能性后果。因此,迫切需要一种高效的计算工具,量化来自于鸟枪宏基因组学数据的这种变异。”

  研究人员开发了一种工具——MIDAS,用于快速分析不同菌株之间的基因内容和单核苷酸变异的差异。为了创建MIDAS,研究人员首先生成一个数据库,包含31007个高品质的细菌基因组。使用一组(30个)高信息量的“通用”基因,他们将基因组进行了分层聚类,以定义物种。研究人员能够将以前未加注释的基因组的8.6%分配到一个物种。

  研究人员将MIDAS运用于 98个母婴大便宏基因组,利用株系水平的遗传差异,来追踪母亲和婴儿之间的细菌差异。本文第一作者、加州大学旧金山分校的研究生Stephen Nayfach说:“株系水平的变异所揭示的模式,与从物种水平上所推测的模式相矛盾。”以往的研究表明,在生命的第一年,母亲和婴儿的微生物组变得更加相似。然而,通过检测“标记的等位基因”,或罕见的遗传差异,研究人员发现,早期定植的菌株是从母亲传递给婴儿的,但后期定植的菌株则是不同的,可能是从环境中获得的。Pollard说:“婴儿的肠道微生物组在第一年成熟,从而给我们的印象是来自于母亲的持续传播。但细菌中的遗传变异表明,所获得的菌株往往跟母亲的并不相同。”

  研究人员还将MIDAS应用于在世界各地海洋的不同深度收集的海洋样品。最普遍的海洋细菌在基因含量上存在差异,这与地理紧密相关。还需要开展进一步的工作,弄清不同位置之间的遗传差异是否是适应性或物种内遗传漂移的结果。Pollard说:“下一个大的挑战是,揭开推动微生物组中种群结构的动力,并将这种变异性与宿主和环境特征联系起来。”

  微生物几乎是无所不在的,它们对生态环境和人体健康起到了不容忽视的作用。然而人们对微生物的了解还相当匮乏,因为许多微生物是无法在实验室中培养的。宏基因组学是了解这些微生物的重要途径,但宏基因组测序并不是一件容易的事儿,就像是把许多拼图拆散混在一起,然后在毫无参考的情况下拼接。因此,科学家们针对宏基因组分析开展了大量的尝试和研究。

  在2014年7月6日的《Nature Biotechnology》杂志发表的一项研究中,来自丹麦工业大学(DTU)、华大基因、华南理工大学和哥本哈根大学等处的研究人员提出一种方法,基于对一系列宏基因组样品的co-abundant基因进行分级,可让研究人员能够全面发现新的微生物、病毒和共遗传的基因实体,并有助于微生物基因组的组装,而无需参考序列。相关阅读:华大参与:复杂宏基因组数据的新分析法。

  美国Los Alamos国家实验室的科学家们在2015年3月的Nucleic Acids Research杂志上,向人们展示了一个宏基因组分析的新工具,有助于对各种微生物群体(包括海洋、土壤和肠道微生物)进行DNA分析。

  今年2月份,Nature Methods杂志发布了一个名为TruSPADES的强大工具,可以大大提升研究者们测序宏基因组的能力。这种算法能将Illumina测序仪生成的300bp短读取,合并成大约1万bp的基因组片段(Synthetic Long Reads)。