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宏基因组专题文献分享—— 前沿方法(三)

 

随着研究的不断深入,微生物领域的探索聚焦于遗传结构的多样性,以及揭秘这些多样性如何在分子层面上影响宿主健康。这包括解析难培养微生物的基因组特性与功能,剖析宿主遗传背景与肠道微生物结构变异之间的复杂联系,以及在微生物基因组结构变异分析技术方面取得的重要进展。本文汇集了四篇文献,集中展现了这一领域的新进展。

 

尤其值得一提的是,mEnrich-seq技术的创新应用为研究人员提供了一个强大工具,它能够在宏基因组水平上借助细菌甲基化差异实现目标菌群的高效富集。这一技术在处理如尿粪样本中难以培养和低丰度的微生物时展现出了极高的效能,极大地推动了我们对这些微生物基因组特性的理解及其潜在医疗应用价值的认知。

 

其次,研究揭示了人类遗传背景与肠道微生物结构变异之间复杂的相互作用关系,特别是通过探索特定GalNAc基因簇与人类血型系统的关联性,阐明了这类相互作用是如何影响心脏代谢健康等关键生理过程,从而深化了我们对宿主-微生物相互作用复杂机制的理解。

 

在此基础上,对微生物基因组中的结构变异(SVs)进行了更深层次的剖析,不仅推动了诸如MetaSV之类的先进分析工具的开发,这些工具能综合运用长、短读长测序技术,高效识别SVs并评估其对代谢功能的效应;而且,借助Nanopore技术提供的长读长优势,精确描绘了肠道微生物组内SVs的个体特异性和遗传稳定性特征,凸显了这些变异在塑造菌株功能多样性以及影响宿主代谢表型方面的决定性作用。

 

这些研究不仅极大地推进了我们对微生物遗传多样性调控机制的理解,同时也为精准医疗、疾病预防策略及个性化营养干预措施奠定了坚实的科学基础,强调了整合宿主遗传学与微生物组学数据在解析健康与疾病状态中的核心地位。

 

 

文献一

mEnrich-seq(此处“m”指代甲基化,“seq”代表测序)是一种创新的测序方法,专门设计用于预先富集宏基因组中的特定微生物群体。该技术巧妙利用了细菌间的甲基化差异,能够特异性地去除非目标背景DNA,从而高效地富集目标菌群。本研究应用此方法从尿粪样本中显著富集了难以培养及低丰度的致病菌和益生菌,最高富集倍数达到了117倍。通过对4601个细菌基因组的甲基化模式进行分析,发现大约68%的基因组适用于至少一种酶来进行mEnrich-seq反应,这涵盖了54.78%的微生物物种,极大拓宽了研究的深度和广度。

英文标题:mEnrich-seq: methylation-guided enrichment sequencing of bacterial taxa of interest from microbiome

中文标题:mEnrich-seq——一种基于甲基化引导的富集测序方法,用于从微生物组中特异性富集感兴趣的细菌类群

发表期刊:Nature Methods

影响因子:48

发表时间:2024年01月

 

技术路线:

 
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a、 mEnrich-seq工作流。

1.用g-TUBE将宏基因组DNA样品剪切至目标片段大小;2.连接barcode和接头;3.用一个或多个RE(甲基化敏感限制酶,绿色剪刀)处理DNA分子,这些RE切割非甲基化基序位点(绿色圆圈),留下完整的甲基化基序列(填充的绿点);4.纯化回收高分子量的DNA分子;5.PCR扩增;6.文库制备后测序。

b、 使用具有不同RE的mEnrich-seq来检查来自同一微生物组样本的不同细菌分类群。

 

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41592-023-02125-1

 

 

文献二

尽管已证实宿主基因对肠道微生物的多样性和特定菌群的丰度有一定影响,但其如何调控肠道微生物的遗传多样性机制仍不甚明了。本研究通过综合分析来自9015名荷兰队列个体的数据,探讨了人类基因变异与其肠道微生物结构变异(SV)之间的关联。研究发现,在分泌带有N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)末端的A型寡糖抗原(即A型血)的个体中,携带特定GalNAc基因簇的Faecalibacterium prausnitzii的结构变异更为普遍。这一现象与人类的ABO血型系统及FUT2基因型相关,并在独立的坦桑尼亚队列中得到了验证。研究进一步揭示,GalNAc作为一类特定细菌菌株的专一碳源,在包括但不限于F. prausnitzii的多种菌株中,参与了特定的代谢途径,这些菌株与人类的ABO血型系统有着密切联系。尤为重要的是,在表达A型抗原的粘膜组织个体中,GalNAc基因簇与心脏代谢健康显示出强烈的关联性。因此,本研究强调了人类基因组与微生物宏基因组之间的基因关联性在阐释宿主-微生物互作机制中的重要意义。

 

英文标题:Host genetic regulation of human gut microbial structural variation

中文标题:宿主基因对人类肠道微生物结构变异的调控

发表期刊:Nature

影响因子:64.8

发表时间:2024年01月

作者及单位:傅静远团队,荷兰格罗宁根大学

 

技术路线:

 
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本研究包含1个荷兰队列(n=9,015)和1个坦桑尼亚队列(n=279),分别获得粪便宏基因组测序数据和宿主SNP数据,并以proGenomes database为参考基因组进行SV检测,使用宿主SNP数据和SV进行关联分析。

 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06893-w

 

 

文献三

结构变异(SVs,包括大规模的插入、删除、倒位及易位等类型)对微生物基因组内基因功能产生显著影响,并且微生物组内的SVs与多种生物学过程及人类疾病紧密相关。本研究开发了一项名为MetaSV(访问链接:https://github.com/Wlab518/SV_procedure)的分析流程,该流程整合了Nanopore平台的长读长数据与Illumina平台的短读长数据,旨在高效分析微生物基因组中的结构变异,并进一步甄别那些能体现代谢差异的特异性SVs。

 

英文标题:MetaSVs: A pipeline combining long and short reads for analysis and visualization of structural variants in metagenomes

中文标题:MetaSVs:结合长、短reads用于宏基因组结构变异分析和可视化流程

发表期刊:iMeta

影响因子:预计20~22

发表时间:2023年10月

作者及单位:王军团队,中国科学院微生物研究所

 

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原文链接:https://doi.org/10.1002/imt2.139

 

 

文献四

深入了解肠道微生物组的遗传变异,对于揭示其功能及其对宿主健康与疾病状态的影响具有至关重要的意义。本研究运用了牛津纳米孔(ONT)长读长测序技术,对来自数百名健康个体的肠道微生物组进行了深入的结构变异(SV)分析。ONT技术凭借其长读长数据的优势,极大增强了宏基因组组装的准确性和分辨率,确保了对复杂结构变异的有效识别与精确定位。研究结果揭示,不同个体间在结构变异层面展现出显著多样性,而每个个体内部的SV则保持着相对的稳定性,构成了独特的肠道微生物组指纹。这些个体独特的微生物组指纹,使得它们与代谢产物及宿主表型(如血糖水平)之间的关联变得更为复杂。

 

英文标题:Short- and long-read metagenomics expand individualized structural variations in gut microbiomes

中文标题:短读和长读宏基因组学扩展肠道微生物组的个体化结构变异

发表期刊:Nature Communication

影响因子:16.6 

发表时间:2022年01月

作者及单位:王军团队,中科院微生物所

 

技术路线:

 
 
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原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30857-9


 


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