What is metagenomics
微生物组

微生物组研究中的宏基因组学

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微生物与微生物组？

在 18 世纪，显微镜领域的进步使人们首次发现了微生物的存在，但当时，几乎没有人能够想象微生物在地球及以外空间无所不在。毫不夸张地说，微生物掌控着世界（1）。所有的地方都可以找到微生物，即便是在最恶劣和最荒凉的环境中。科学家发现，微生物参与着物理环境和有机生物圈的调节。不出所料，微生物与单细胞生物体、以及与多细胞生物体（包括人类）都形成了多种多样的关系——有些是有益的，有些是有害的在过去的数十年里，微生物对人类健康和疾病的重要性不言而喻（1）。

微生物掌控世界。
 

这些关系的复杂性也许是理解微生物的最大障碍。我们在微生物学领域的大量知识来源于纯种培养的研究，即提取并在受控环境下培养某个微生物的某个纯种株进行的研究。然而，并非所有微生物都可被培养，且人工纯种培养使得微生物缺乏与其他物种的相互作用，而这类相互作用可决定它们的特性、行为和进化通路。这意味着，培养皿中的微生物在基因型和表型上很可能与自然环境中的微生物大有不同（1）。

 

什么是宏基因组学？

从广义上讲，宏基因组学（也称为群落基因组学）是指对包含在自然生活环境中的微生物群落进行的遗传学分析。从微生物学的角度来说，宏基因组学研究的是不可被培养的微生物。这个遗传同质性纯种培养的替代方法可让科学家能够更好地了解微生物群落中存在的非凡（生物）多样性。研究各种不同微生物群落反过来又可让科学社区更好地理解我们自己的生理学以及我们生活环境中的各种系统（1）。


研究微生物组的方法

鸟枪法测序可让科学家对非细菌微生物（例如真菌和细菌）与细菌一起进行同时研究（2），但需要完成较多的测序工作量。作为替代方法的 16S 测序可专注于单独一个基因。16S 测序尤其适用于细菌发育和分类研究（2）。宏转录组学是对信使 RNA（mRNA）进行的宏基因组学研究，它尤其适用于研究各宏基因组学研究揭示的不同点如何影响基因的调控和表达。

当前方法的局限性

尽管听起来前景非常光明，但宏转录组学会受到技术性障碍的限制，例如 mRNA 的半衰期很短等。随着 NGS 技术的进步，各种不同的技术被开发出来，并在随后经过改造应用到宏基因组方法中。在微生物宏基因组学的新生阶段，很多研究采用了中等读长技术（~800 bp），比如（例如使用 Roche® 454 平台的）焦磷酸测序（4）。随着时间的推移，更短读长技术（例如 Illumina® 测序）成为更加经济有效且通量更高的替代方法。

Limitations of current methods
然而，短读长测序有其自身的问题，具有特定的偏差和技术障碍。最近，技术进步促使人们更偏向于长读长测序，有些技术（例如 SMRT 测序和纳米孔测序）现已能够生成长达数万个碱基对的读长。尽管更容易出错，但是，在测序深度足够深以致于可进行错误矫正的情况下，这些更长的读长已被证实在组装封闭基因组方面具有优势（5）。然而，由于与 Illumina 测序相比生成的基因信息很少，且需要大量的原始 DNA 样本，这些技术在当前更适用于全基因组测序及类似的研究（6）。

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参考文献：
  1. National Research Council (US) Committee on Metagenomics: Challenges and Functional Applications.The New Science of Metagenomics: Revealing the Secrets of Our Microbial Planet.Washington (DC): National Academies Press (US); 2007.
  2. Jovel, J. et al.(2016) Characterization of the gut microbiome using 16S or shotgun metagenomics.Front Microbiol.7, 459.
  3. Janda, J. M. and Abbott, S. L. (2007) 16s rRNA gene sequencing for bacterial identification in the diagnostic laboratory: pluses, perils, and pitfalls.Clin.Microbiol.45(9), 2761–2764.
  4. Bragg, L. and Tyson, G. W. (2014) Metagenomics using next-generation sequencing.Environ.Microbiol.1096, 183–201.
  5. Koren, S. and Phillippy, A. M. (2015) One chromosome, one contig: complete microbial genomes from long-read sequencing and assembly.Curr.Opin.Microbiol.23, 110–120.
  6. Driscoll, C. B. et al.(2017) Towards long-read metagenomics: complete assembly of three novel genomes from bacteria dependent on a diazotrophic cyanobacterium in a freshwater lake co-culture.Stand.Genomic.Sci.12, 9.