宏基因组测序(Metagenomic Sequencing)

简介

宏基因组学(metagenomics)是通过非微生物培养的方法对环境中微生物菌落进行调查研究的一门新兴学科，其主要研究对象为菌落中的细菌、古细菌、真菌和病毒等微生物，其主要目的是通过对微生物菌落中微生物的多样性、种群结构及其动态改变、各成员之间相互关系及与环境之间的相互关系等方面的分析，揭示更深层次的遗传与进化规律。以Roche 454 和Illumina Hiseq 为代表的二代高通量测序技术，成功实现了高通量和低费用的有效结合，将宏基因组学研究推向了前台。不同于第一代以Sanger 末端终止法为原理的测序技术，第二代测序技术基于边合成边测序的理念，为宏基因组学研究提供了新的理想研究方法。高通量测序的方法无需分离环境中各种微生物，也无需构建克隆文库就可以直接对环境中所有微生物进行测序。可以真实客观的反映环境中微生物的多样性、种群结构、进化关系等。与传统方法相比，基于高通量测序的宏基因组研究无需构建克隆文库，这避免了文库构建过程中利用宿主菌对样品进行克隆而引起的系统偏差，简化了实验操作，提高了测序效率，从而极大地促进了宏基因组学的发展。

16S/18S rDNA测序与宏基因组测序的区别：16S/18S rRNA基因测序以细菌16S rRNA 或者真菌18S rRNA 基因测序为主,核心是研究样品中的物种分类、物种丰度以及系统进化。宏基因组测序以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象，直接从环境样品中提取全部微生物的DNA，构建宏基因组文库，利用高通量测序技术分析环境样品所包含的全部微生物的群体基因组成及功能和参与的代谢通路，解读微生物群体的多样性与丰度，探求微生物与环境，微生物与宿主之间的关系，发掘和研究新的、具有特定功能的基因。

宏基因组研究有着广泛的应用前景，其中主要表现在以下几个方面:

进化分析：例如物种之间的差异既有该物种本身基因组的差异，也有与其伴随的微生物的差异，某些相关微生物与宿主之间是共生关系；物种间的共生关系导致物种间水平基因转移的机制及其意义的阐明都将对生物物种的进化理论产生重要的影响。

基因发现:传统的方法是在基因装配的基础上预测基因的存在，然后通过同源基因的比对和实验验证来确认基因的发现。对于宏基因组而言，由于测序的主要成分为多物种的混合物，通过基因组的装配拼接来实现新基因的预测。然而无论基于现有的哪个软件，所预测的基因的实验验证依然是个主要问题。

环境与生态研究: 土壤微生物研究中的应用，进行土壤微生物及其资源的挖掘，揭示土壤微生物的多样性及其与环境之间的关系。在水体中的应用，多种海洋次生代谢产物合成途径，其中最为经典的是研究海洋聚酮类和非核糖体肽类的生物合成基因簇。

疾病和个体化医疗:大量的研究证据显示，人体微生物的种群和多样性与人体疾病的发生有着显著的相关性，例如肥胖、心血管疾病和肿瘤等。人类微生物组计划(Human microbiome project)的调查显示，肠道微生物中存在大量与药物代谢和分解相关的细菌，提示在个体化医疗方面不仅仅要考虑宿主基因组中药物的代谢相关基因，同时也需要考虑到消化道中微生物群落的存在和组成。