宏基因组背景介绍 | 微生物专题
这是一个久远的故事，大约46亿年前地球形成，38.5亿年前开始出现生物。生物与环境相互制约，大约3亿年前，人类起源的先祖诞生。在一个神奇的时刻，智人的祖先进（突）化（变）出 [高级脑子]，开始尝试使用语言和工具，开始学会讲故事，开始计数，迭代进化。他们开始熟练掌握了一些实用的技巧，比如包子、酿酒以及腌渍品，殊不知这些神奇的变化正是那些无处不在的微生物起了关键作用。
随着近代科学、物理手段的发展，先驱者发现了有趣的现象。
1958年的诺贝尔奖获得者Lederberg提出超级生物体（Superorganism）的概念。人体和其共生的微生物一起组成了整个庞大而缜密的“个体”，看似我们更高级，有心智，但实际上从细胞比例上来看，人体细胞是微生物细胞总数的1/10；如果看基因比例，人类的基因只有微生物基因的1/100。
进一步来看，自2007年提出的第二基因组计划——人类微生物组计划HMP已经详细记录了全球多个地方，多个组织样本中的微生物群落信息，包括人的消化道、呼吸道、生殖道以及皮肤多个组织部位。而在自然界，微生物群落的研究也同样如火如荼，比如海洋、热带雨林、以及根系微生物研究。
所以，宏基因组是什么?我们将其定义为，是组学的一部分，通过测序建模分析，在分子水平上理解定义生境内分子之间的动态关系的科学。
宏基因组研究依托组学研究，伴随着测序技术发展而不断更新。左边图展示为DNA测序技术的发展，右边为对应技术的宏基因组研究，早期HMP宏基因组以Sanger测序为主，逐渐被具有更高的测序通量的二代测序平台所替代。19年1月在Science上报道了Nanopore测序使用在宏基因组上案例，其读长优势减轻了组装负担，能够获得准确的物种注释信息或者鉴定新亚型，以及基因组精细图。
传统微生物全基因组测序首先需要获得分离单一物种的DNA，而宏基因组对生境中DNA直接测序，通过生信分析处理能够大大减少分离及纯化菌株的工作。
常规的微生物组研究方法，还包括扩增子测序以及宏转录组。从图中我们可以直观看到，不同的方法对物种以及功能注释的解析程度是有一定差异的。16S测序只扩增核糖体小亚基，通过特征片段的识别鉴定物种，较宏基因组来说基因信息量少。而宏转录关注的是活性转录本，能更准确的获得实时的基因表达。
16S rDNA位于原核细胞核糖体小亚基上，该基因全长约1542bp，由9个可变区和10个保守区组成（可变区为V1到V9），其中保守区反映了生物物种间的亲缘关系，而可变区则表明物种间的差异，且变异程度与细菌的系统发育密切相关，被认为是最适于细菌系统发育和分类鉴定的指标。
宏基因组和宏转录的区别，这里介绍一个2018年发表在Nature Microbiology上的案例，团队研究了300多人的粪便样本，并比较宏基因组和宏转录组获得信息的差别。从结果来看，在微生物多样性上，这两种分析方法得到的结果几乎相同。说明如果关注微生物群落种水平信息，宏基因组是第一选择。
小结一下，微生物数量繁杂，在目前的手段来说，绝大多数的单菌无法纯培养，比较扩增子及宏基因组的优势如下，更详细的内容可以见下表。
怎么做宏基因组，首先介绍一篇nature的总结，方法流程都有一种殊途同归的感觉。但是宏基因组和宏转录组的信息更加全面，有利于功能分析。右边展示的宏基因组的常规分析流程，这里就不展开赘述了。
常言道，设计获得有意义数据的实验是分析的第一步。所谓Garbage in Garbage out. 在英英字典中的解释为 “(in computing) if you input wrong data, the out put will also be wrong.” 。这里提及几个查阅文献过程中，记录下的小tips。比如宿主DNA的污染，Relic DNA的处理，土壤样本需要去除具有酶抑制剂的腐殖质等。
微生物的生境极其复杂，且对环境高度敏感。因此在收集样本过程中，应尽可能的详尽年龄、性别、饮食和生活习惯等信息，这篇综述文章中提到纵向取样是一种有力的手段，既可以控制混杂因子，又可以评估群体的稳定性。同时，需要注意临床上一些可变因素，样本处理的情况，及实验技术所使用的试剂盒、引物等。需要主要的是，动物实验，存在同笼效应，即个体和个体之间会相互影响，需要设计合理的对照，控制可变因素。实验样本搜集及方案设计将在后续专题进一步展开。
宏基因组不仅能够在植物根系、污水处理、营养代谢等方向应用，同时能够在临床上作为一种高效的辅助诊断手段。
组学联合分析能够从多个维度阐释一个科学问题。例如，肠道微生物菌群与宿主代谢表型的关系，以及微生物群落如何影响代谢功能的研究就是代谢组学与宏基因组测序联合分析中一个非常典型的案例。
宏基因组背景介绍就到这，写稿不易，点点 右下角“在看” ，帮忙分享，是我们继续分享的动力。
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主要参考文献
[1]E. A. Grice and J. A. Segre, “The Human Microbiome: Our Second Genome,” Annu. Rev. Genomics Hum. Genet., vol. 13, no. 1, pp. 151–170, Sep. 2012.
[2]L. E. Kafetzopoulou et al., “Metagenomic sequencing at the epicenter of the Nigeria 2018 Lassa fever outbreak,” Science, vol. 363, no. 6422, pp. 74–77, Jan. 2019.
[3]G. S. Abu-Ali et al., “Metatranscriptome of human faecal microbial communities in a cohort of adult men,” Nat. Microbiol., vol. 3, no. 3, pp. 356–366, Mar. 2018.
[4]E. A. Franzosa et al., “Relating the metatranscriptome and metagenome of the human gut,” Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 111, no. 22, pp. E2329–E2338, Jun. 2014.
[5]C. Quince, A. W. Walker, J. T. Simpson, N. J. Loman, and N. Segata, “Shotgun metagenomics, from sampling to analysis,” Nat. Biotechnol., vol. 35, no. 9, pp. 833–844, Sep. 2017.
[6]S. A. Whiteside, H. Razvi, S. Dave, G. Reid, and J. P. Burton, “The microbiome of the urinary tract—a role beyond infection,” Nat. Rev. Urol., vol. 12, no. 2, pp. 81–90, Feb. 2015.