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NGS揭示微生物的神秘世界

研究人员研究了微生物的基因组,增进了我们对人类健康、疾病和微生物进化的理解。

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NGS揭示微生物的神秘世界

简介

人体远比我们看到的要复杂的多。它含有数万亿个细胞,这不是我们的细胞,而是微生物的细胞。研究人员发现,这些微生物在人类健康和疾病中发挥着关键的作用。但人体不是微生物生存的唯一场所。实际上,它们无处不在,我们的肠道、房屋、海洋和土壤,到处都有它们的足迹。长期以来,我们一直低估了微生物世界广阔的程度。借助新一代测序(NGS),科学家们正在对这一浩瀚的微观宇宙进行细致的研究。

Philip Hugenholtz博士是澳大利亚生态基因组学中心(ACE)的主任,昆士兰大学化学及分子生命科学学院的教授,以及微生物基因组学公司Microba的联合创始人,他的研究重点是微生物。他在昆士兰大学进行研究,想要探索存在于我们身体内和环境中的“微生物暗物质”。借助NGS,Hugenholtz博士和他的团队可以对微生物生命树进行分类。他的公司Microba使用NovaSeq 6000系统,将鸟枪法宏基因组测序用于快速准确地分析人类肠道微生物组。深度的微生物基因组数据让Microba的客户可以更好地了解他们的身体和健康状况,并追踪肠道内微生物随时间的变化。尽管微生物组检测还很新颖,但Hugenholtz博士相信,个性化的微生物组检测在未来将成为医疗的常规组成部分,并“可能成为每年进行的检测,类似血液检测。”

iCommunity采访了Hugenholtz博士,了解了遗传测序技术和微生物学领域的进展、他关于微生物生命树的研究、Microba和人类微生物组以及宏基因组研究的未来。

以下为替代文本
Philip Hugenholtz博士是澳大利亚生态基因组学中心(ACE)的主任,昆士兰大学化学及分子生命科学学院的教授,以及Microba的联合创始人。

问:为什么选择微生物学作为您的研究领域?

Phil Hugenholtz(PH):我年轻的时候做过一个项目,在显微镜下观察湖泊中的生物。我还记得自己看到有那么多生命形式在湖泊沉积水中蠕动时有多么惊讶。尺度的概念非常吸引我,向上或向下几个数量级看到的宇宙完全不同。

问:您的研究重点是什么?

PH:我的研究主要采用无需培养就能探索微生物群落的方式。以往,大部分微生物学研究需要在琼脂平板上或液体培养基中培养微生物。在二十世纪80年代中后期,我们已经可以用基因组序列来描述生物,这类方法开始面临挑战。这是生物学领域的一个重要转折点。我们此前几乎一直对微生物这一庞大的群体一无所知。测序可以让我们鉴定并了解研究的微生物,让我们知道生物之间有多大的区别。

问:细菌鉴定方法和工具在过去20年间发生了怎样的变化?

PH:在二十世纪70年代早期,测序技术还处于起步阶段,面临着巨大的挑战。研究人员着重研究了16S rRNA,它是核糖体的一个亚基,其序列可以用于建立生物之间的联系。它只有1500个碱基对。按今天的标准,对这些DNA进行测序只是小菜一碟。然而在二十世纪70年代,这是一项艰巨的任务,极其昂贵且费时。通过对这些分子进行测序并比较它们的序列,我们可以客观地确定生物关系的远近。

“如果我们要研究一个未培养的生物,16S rRNA只能告诉我们它是不是新的物种。但如果对整个基因组进行测序,我们就可以分析该生物的所有其他基因。我们可以通过这种方法来研究通路并推断微生物的潜能。”

问:为什么鸟枪法宏基因组测序比16S rRNA测序更有用?

PH:通过16S rRNA,我们只能对1个基因进行测序。但借助鸟枪法宏基因组学,我们能以高分辨率对整个基因组进行测序。如果我们要研究一个未培养的生物,16S rRNA只能告诉我们它是不是新的物种。但如果对整个基因组进行测序,即使我们尚未分离出该生物,我们就可以分析它所有的其他基因。我们可以通过这种方法来研究通路并推断微生物的潜能。它是需氧的吗?它有光合作用的基因吗?它能进行硫呼吸吗?我们可以根据生物的遗传蓝图推断它的功能,还可以创建更详细的进化树。

问:NGS技术的发展如何推动您的研究?

PH:NGS对我的研究产生了巨大的影响。以前的测序技术很昂贵,并且只能提供有限的信息。而NGS可以让我们解析群落中的生物的遗传蓝图,从更复杂的环境中获得基因组序列。微生物学和生物学已经到达了一个不可思议的阶段,我们已经可以利用测序从一个生态系统中获得数百个基因组。

问:您从何时开始使用NGS进行高通量鸟枪法宏基因组测序?

PH:我很幸运的成为了最早使用鸟枪法测序研究微生物群落的两个实验室的一员。我在2001年加入了加州大学伯克利分校Jill Banfield博士的实验室,然后开始使用鸟枪法宏基因组学进行研究。Jill Banfield博士是一名地质学家,不是微生物学家,但是她对鉴定与她的研究相关的微生物群落很感兴趣。我们在她的实验室进行了最早的鸟枪法宏基因组研究之一。该研究第一次证明了我们可以对微生物群落进行鸟枪法测序,获得基因组,进行群落成员的代谢重建。

在Banfield博士的实验室工作之后,我在美国待了很多年。我在美国能源部下属的联合基因组研究所负责宏基因组学项目,该机构位于加州核桃溪市。这一职位让我成为了较早使用NGS的研究人员。Roche 454系统是第一个NGS系统,它在一年内让我们的测序产量增加到3倍。

一年后,我们引入了Illumina Genome Analyzer系统,测序产量比前一年增加了10至20倍。令人难以置信!从那时起,我们就一直在使用Illumina NGS系统。现在,我们在这所大学有一台NextSeq 550系统可用于研究。我们在Microba还有一台NovaSeq 6000系统,它运行良好,已经生成了大量可靠的数据。

“NGS可以让我们解析群落中的生物的遗传蓝图,从更复杂的环境中获得基因组序列。”

问:何用使用鸟枪法宏基因组测序创建微生物生命树?

PH:我们用鸟枪法宏基因组学分析了全基因组,获得了出色的物种水平的分辨率。事实上,我们甚至获得了亚种水平的分辨率,这是一个重要的优点。

目前的生物分类方法有很多错误。在序列分析之前,最初的分类方法基于我们可以培养的生物。许多生物是根据其独特的形态类型进行分类的。例如,许多细菌是杆状的,而且会产生孢子,因此被分类为杆菌(Clostridium)。但是,分析这些生物的基因可以发现它们有许多不同并且彼此无关。因此,大量的分类是错误的。

我在昆士兰大学的团队一直致力于利用全基因组数据改进微生物分类系统。我们使用了120个在细菌域保守度较高的基因,根据它们构建微生物树。该微生物树比此前的分类系统的分辨率更高。

问:您为什么创办Microba?

PH:Gene Tyson博士和我一起建立了ACE,我们成功地使用了分子工具来分析不同的微生物生态系统。我们意识到,我们可以使用鸟枪法宏基因组学进行高分辨率的肠道微生物组分析。在那个时候,还没有人提供这类商业化分析,因此我们决定成立Microba。我们的任务是利用鸟枪法宏基因组学,获得客户肠道微生物组的高分辨率图像。

问:为什么了解人类肠道微生物组很重要?

PH:我们体内的微生物大部分位于肠道中。研究表明,肠道微生物组与我们健康的关系比之前认为的更为密切。它是人类健康的前哨。微生物能降解我们自己不能降解的纤维,产生短链脂肪酸滋养肠道细胞,帮助调节代谢过程,甚至能影响基因表达。1-2人类使用的主要神经递质之一血清素主要在肠道中产生和消耗,并受到我们的微生物的影响。3还有信息显示,患慢性抑郁症的人与健康人的肠道微生物组图谱不同。4

对于该领域的批评主要是因为其没有足够的因果关系分析,只有相关性分析。然而现在已经有了这种分析,几个公认的案例在动物模型中证明了因果关系。接下来几年将会有更多此类研究拓展到人类的范畴。

“在Microba,我们收到样本后,会使用自动化过程提取DNA并在NovaSeq 6000系统上对样本进行测序,为每个样本生成5 GB的数据。”

问:NGS如何整合到你们的肠道微生物组检测方案中?

PH:我们的主要产品是Insight Sampling Kit。客户在线注册,并通过邮件接收粪便采样试剂盒。粪便样本能指示肠道下段的情况。它们含有很高比例的微生物,很容易提取出微生物DNA。在Microba,我们收到样本后,会使用自动化过程提取DNA并在NovaSeq 6000系统上对样本进行测序,为每个样本生成5 GB的数据。

我们创建了参考基因组的数据库,该数据库可以体现粪便样本的大部分微生物多样性。我们将测序read定位到这些参考基因组上。处理数据通过生物信息学分析流程来实现。我们已经将该流程处理为自动化流程,使其能尽快处理数据。解读后的信息会上传到网站,客户可以登录并查看他们的结果。

问:为什么选择NovaSeq 6000系统进行鸟枪法宏基因组测序?

PH:在过去的几年里,Illumina一直是市场领导者。NovaSeq 6000系统现在已经具有最成熟的NGS技术,非常可靠。作为一家初创公司,我们需要业界一流的可靠平台,可轻松扩展以适应更多样本数量,并且具有良好的技术支持。Illumina满足我们所有的要求。

问:Microba Insight检测的周转时间是多长?

PH:我们会将样本分批,高通量的NovaSeq 6000系统让我们可以在几天内对92个样本进行测序。48小时内即可完成生物信息学分析。因此,当我们有足够的样本进行一次运行时,从样本到数据的周转时间非常快。发送采样试剂盒和获得返回的样本需要额外的时间。

问:你们怎样将测序数据转化为客户可以理解的报告?

PH:生成易于理解的分析报告是我们面临的一项重大挑战,因为数据太丰富了。我们的客户通常不是科学家。我们会创建2个层面的报告,首先强调主要结果,保持报告的简洁。我们会提供功能信息,能展示与整个客户群体相关的结果,可以标记非典型的结果,例如特定生物的数量较大或重要功能基因的减少。我们也提供已在文献中表明与健康相关的内容,例如产生短链脂肪酸丁酸盐5或内毒素脂多糖6的遗传潜力。对于感兴趣的人,我们提供另一层面的报告,它深入挖掘了微生物群落的结构和详细的功能信息。客户也可以打电话给我们,咨询Microba微生物组的咨询人员,他们会与客户一起查看图谱,介绍数据并解释结果的含义。

我们现在能做的最多的事情,是提出膳食建议,帮助人们理解他们的饮食、肠道微生物和健康之间的联系。将来,我们应该能够提供经过临床测试的益生元或益生菌,或是基于个人的肠道微生物组图谱的微生物产品。

“我认为,与某些药物在具有特定遗传谱的个体中更有效一样,药物也具有微生物组特异性。”

问:您认为未来十年宏基因组学研究的发展方向是什么?

PH:我认为结合自身的微生物图谱与遗传图谱会是一个重要的增长领域。我认为,与某些药物在具有特定遗传谱的个体中更有效一样,药物也具有微生物组特异性。我相信,了解宿主和微生物组基因型的关系会是个性化医疗的一个强有力的方面。

在检测方面,我认为未来人们将通过他们的全科医生获得他们的肠道微生物组图谱。它可能成为每年进行的检测,类似血液检测。虽然目前人们认为肠道微生物组检测还很新颖,从某些方面来看也确实是这样。但我相信这类检测将在未来5–10年中成为主流。

问:您对Microba未来5年的目标是什么?

PH:我们将引入时间序列采样,以便客户追踪其肠道微生物组随时间的变化。例如,如果一个人正在节食,他们可以比较不同时间点的数据,分析节食是否随时间改变了他们的肠道微生物组。

我们专注于拓展国际市场和降低肠道微生物组检测的价格,让更多人可以使用它。我们的一些客户允许将他们的数据用于科学研究。为了在将来为个性化医疗作出贡献,提升公司的价值,我们正在挖掘宏基因组数据,鉴定潜在的疗法。未来,我们还希望能开发其他重要的人类微生物群落的检测,例如口腔和皮肤微生物组的检测。

深入了解本文提及的系统:

NovaSeq 6000系统

参考文献

  1. Makki K, Deehan EC, Walter J, et al.The Impact of Dietary Fiber on Gut Microbiota in Host Health and Disease.Cell Host Microbe.2018; 23:705—715.
  2. Holscher HD.Dietary fiber and prebiotics and the gastrointestinal microbiota.Gut Microbes.2017; 8:172—184.
  3. De Vadder F, Grasset E, Mannerås Holm L, et al.Gut microbiota regulates maturation of the adult enteric nervous system via enteric serotonin networks.Proc Natl Acad Sci U S A. 2018; 115:6458—6463.
  4. Cheung SG, Goldenthal AR, Uhlemann AC, et al.Systematic Review of Gut Microbiota and Major Depression.Front in Psychiatry.2019; 10:34.
  5. Laserna-Mendieta EJ, Clooney AG, Carretero-Gomez JF, et al.Determinants of Reduced Genetic Capacity for Butyrate Synthesis by the Gut Microbiome in Crohn’s Disease and Ulcerative Colitis.J Crohns Colitis.2018; 12:204—216.
  6. Brix S, Eriksen C, Larsen JM, et al.Metagenomic heterogeneity explains dual immune effects of endotoxins.J. Allergy Clin.Immunol.2015; 135:277—280.