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新突破——高分辨率下的人类肠道微生物组

时间:2023-01-06 来源:益生之源 作者:靳昊、全柯谕 浏览次数:11773

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大量数据已证实肠道菌群在人类健康和疾病中扮演着重要角色。然而,目前地球上超过99%的微生物还没有被培养,它们也被称为“暗物质”,对微生物组研究是一个重大挑战。近年来,一种基于非培养策略下的宏基因组学分箱技术,通过各种聚类算法,为各种自然生态位中大量尚未被培养的微生物提供了参考基因组,也让我们有机会对这些“暗物质”有基本的认识。然而,当下参差不齐的基因组质量和非典型地区人群样本的缺乏限制了我们对暗物质更深入的理解。

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以益生菌Probio-M8为标记物的混合、超深度宏基因组测序和组装质量评估

近日,内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室在Nature Microbiology杂志发表了一项研究,采用二三代混合深度宏基因组测序策略,基于先前开展的一项益生菌(Probio-M8)酸奶人群干预实验,利用PromethIONHiSeq平台对其中180份粪便样本进行超深度宏基因组测序,共生成3.7 Tbps三代和20.1 Tbps二代数据。为了评估组装流程的准确性,研究团队基于三种不同的测序和组装策略(即仅三代序列组装、二三代混合组装、仅二代序列组装),直接从饮用过益生菌酸奶志愿者肠道的样本中组装出Probio-M8基因组,并与参考基因组进行比较,发现相较二代测序,三代测序显著提高了装配连续性,可构建出高连续性基因组支架,而足量的二代测序也对于提升碱基准确性、基因组完整性和功能分析准确性至关重要,强调了在宏基因组数据集中使用已知和/或预期的基因组来评估测序和组装工作流程质量的重要性。

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2内蒙古人肠道基因组IMGG数据库概述

基于上述组装流程,结合宏基因组分箱策略,构建了内蒙古人肠道基因组数据库(IMGG),包括802个环状、完整基因组(CMAG)和5927个高质量基因组,且满足较为严格的MIMAG标准中的高质量基因组定义(即,完整性>90%,污染<5%,拥有完整的5S16S23S rRNA基因和18tRNA基因)。通过与现有最全面的人类肠道基因组数据库(UHGG)比较,发现IMGG相较UHGG数据库在基因组连续性提升巨大,尤其是在二代测序中容易被遗漏的区域,包括核糖体RNA操纵子(rrns)、代谢基因簇(MGC)、原噬菌体和插入序列(IS)。

基于这些高质量基因组,该研究报道了未培养物种的rrn拷贝数,超过12000个未知的肠道前噬菌体及其功能特征,以及IS元素在肠道细菌中的分布情况,并评估了这些先前被严重低估的区域在肠道微生物组研究中的潜在重要性。

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3 IMGG数据库增强基因组遗传元件的分辨率

总的来说,这项研究拉近了我们与白金基因组的距离,提示未来肠道基因组学研究需要重点关注代表性不足的基因组区域。值得关注的是,长读长测序技术与日俱新,随着测序精度的不断提升,有望在不久的将来消除或减少对二代测序的依赖,我们也希望在不久的将来迎来更多高质量肠道微生物基因组,并IMGG和其它大规模的高质量基因组数据库进行整合,创建统一的白金基因组数据库,早日揭开这些微生物暗物质的神秘面纱。


该研究于202316日发表在JCR 1区期刊Nature MicrobiologyIF=30.964)。

第一作者:在站博士后靳昊、博士研究生全柯谕、助理研究员何秋雯
合作作者:郭丽茹教授、马腾、李亚琳、赵飞燕、尤利军
通讯作者:张和平教授、孙志宏研究员
论文题目:A high-quality genome compendium of the human gut microbiome of Inner Mongolians

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41564-022-01270-1


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