宏基因组技术检测病原体，有哪些进展和挑战？| 热心肠日报

今天是第1123期日报。

基于cfDNA宏基因组测序实现灵敏、全面的病原检测

Nature Microbiology[IF:14.174]

① Karius公司开发的这一方法可以识别和量化1250种临床相关的病原菌，包括细菌、真菌和寄生虫等；② 测序针对的是血浆中的游离DNA（cfDNA），cfDNA的另一项广为人知的应用是无创产前诊断；③ 测序结果解析依赖于21000个微生物参考基因组，cfDNA序列会被映射到参考基因组进而识别出1250种微生物是否存在；④ 这一方法的灵敏度较传统方法高28%，已经适合临床使用，不过在成本、周转时间、特异性等方面仍有一定局限性。

A powerful, non-invasive test to rule out infection
03-21, doi: 10.1038/s41564-019-0424-7

【主编评语】传统病原菌检测方法有周期长、覆盖面窄的明显弊病，使用宏基因组测序方法则可以做到非侵入性、快速和零死角覆盖。本文是对之前研究（http://www.mr-gut.cn/papers/read/1049500643）的一篇评论。不仅阐述了cfDNA宏基因组检测的特点和优势，还指出这一方法的局限性：包括特异性较差可能产生较多假阳性，周转时间（53小时）仍然太长、成本较高，难以检测抗原决定簇，难以检测RNA病毒感染等。（@高春辉）

复旦大学中山医院：宏基因组测序用于临床检测时的性能分析

Clinical Infectious Diseases[IF:9.117]

① 研究纳入了2017年4月-12月的511份标本（包括传染病、非传染病和未确诊病例），在宏基因组测序和传统培养方法之间比较诊断性能；② 宏基因组测序诊断传染病的敏感性和特异性分别是50.7%和85.7%，都显著优于传统培养方法，特别是病原为结核分枝杆菌、病毒、厌氧菌和真菌的感染；③ 重要的是，传统方法无法确定病原的可由宏基因组测序确定，有43例因此改变了诊断结果；④ 为了实现该方法分别构造了病毒、细菌、真菌和寄生虫的参考序列数据库。

Microbiological Diagnostic Performance of Metagenomic Next-generation Sequencing When Applied to Clinical Practice
2018-11-13, doi: 10.1093/cid/ciy693

【主编评语】本文介绍了复旦大学附属中山医院胡必杰团队将宏基因组测序技术用于临床病原检测上的实践经验。这些经验提示，宏基因组测序技术总体上显著优于传统的微生物学方法，是未来有望取代后者的传染病检测新技术。（@高春辉）

宏基因组测序评估发现肾移植过程中存在较多的JC多瘤病毒传播

Clinical Infectious Diseases[IF:9.117]

① 研究纳入了30对肾移植对象，对供体和受体随访至少一年，采集血浆和尿液样本，通过宏基因组测序分析病毒感染情况；② 其中，宏基因组测序检测在7对供体和受体中检测到JC多瘤病毒（JCPyV），系统发育分析确认了其中6例受体的感染源是供体；③ 值得一提的是，受体在移植时对JCPyV具有血清阳性反应，但仍然无法阻挡这一传播过程；④ 鉴于JCPyV从肾脏移植供体到受体的频繁传播，有必要开展更大的队列研究，以确定JCPyV感染对移植结果的影响。

Metagenomic virome sequencing in living donor-recipient kidney transplant pairs revealed JC Polyomavirus transmission
2018-12-02, doi: 10.1093/cid/ciy1018

【主编评语】为了避免病毒在肾移植供体和受体之间的传播，移植手术前都需要做病毒感染检测。可是，本研究发现有一些病毒仍然能够通过移植途径频繁传播，主要是泌尿道JC多瘤病毒。（@高春辉）

宏基因组和生物信息学进行病原检测的进展和未来

Microbiome[IF:9.133]

① 宏基因组的检测方法仍存在检测限和技术偏差的问题，保留其它方法当前仍然是有必要的；② 目前的取样方法丢掉了病毒、真菌和真核生物组分，对于病毒来说，存在分类系统和数据库资源的不足的问题；③ 分析方法、标准和软件（组装、注释、可视化等）大大滞后于测序数据产生的速度；④ 优异的生物信息学工具是未来发展的关键，这些工具需要更好的满足最终用户的独特需求；⑤ 数据标准化是保证数据质量和共享数据的重要手段，而共享带来了隐私问题。

Current progress and future opportunities in applications of bioinformatics for biodefense and pathogen detection: report from the Winter Mid-Atlantic Microbiome Meet-up, College Park, MD, January 10, 2018
2018-11-05, doi: 10.1186/s40168-018-0582-5

【主编评语】这是M3组织（Mid-Atlantic Microbiome Meet-up）的一份会谈（会议举办日为2018年1月10日）纪要，着重指出了宏基因组进行病原检测中生物信息学工具的关键作用，指出了面临的挑战和未来的发展方向。（@高春辉）

综述：城市下水道中的微生物菌群结构

Current Opinion in Biotechnology[IF:8.38]

① 城市下水道为微生物的繁荣提供了一个独特的生境，大致可分为污水和生物膜两种形态；② 荟萃分析美国、中国、巴西等国的相关研究，可以发现弓形菌、不动杆菌、气单胞菌和毛球菌是下水道菌群的优势类群；③ 这些物种都不是粪菌的主要成员，说明下水道菌群是经过了自然选择的结果，另外污水和生物膜中的物种组成也不尽相同；④ 污水泄露可引起菌群向其它水体的迁移，而弓形菌在自然水体中极少见，因而可作为下水道菌群污染的生物标记物。

The unexpected habitat in sewer pipes for the propagation of microbial communities and their imprint on urban waters
01-22, doi: 10.1016/j.copbio.2018.12.010

【主编评语】日前，《热心肠日报》刊发了一篇评论，提出了对城市自来水菌群进行研究的紧迫性（http://www.mr-gut.cn/papers/read/1089522207）。与下水道菌群相比，自来水菌群就小巫见大巫了。在城市中，对包括自来水和下水道系统在内的管道菌群进行研究，或许对于健康风险监测和预警、环境保护等具有重要意义。且看宏基因组技术剖析城市下水道菌群结构。（@高春辉）

酸矿水（AMD）菌群中以古菌为主

Microbiome[IF:9.133]

① 使用宏基因组和16S rRNA基因测序方法分析了英国Parys山一处铜矿的酸矿水和沉积物中的菌群组成；② 结果显示67%的菌群成员属于古菌，主要是Euryarchaeota门下属的Thermoplasmata类群；③ 不过酸矿水水样中古菌含量较低，只有8.1-11.7%，较多的是变形菌门、硝化螺旋菌门、酸杆菌门和放线菌门的细菌；④ 分离和培养得到了高比例的Cuniculiplasma富集培养物，但是该类群在天然样品中仅为次要组分。

Archaea dominate the microbial community in an ecosystem with low-to-moderate temperature and extreme acidity
01-28, doi: 10.1186/s40168-019-0623-8

【主编评语】温度在8-18℃之间，pH＜1.7的环境通常被认为主要由细菌定植。然而，宏基因组研究发现在这类酸性矿山废水（AMD）沉积物中，古菌才是主角。（@高春辉）

利用epicPCR揭示西藏盐湖沉积物中硫酸盐还原菌的多样性

Microbiome[IF:9.133]

① 在西藏的十个盐湖中采集31个沉积物样本，使用epicPCR技术分析16S rRNA基因和异化亚硫酸盐还原酶基因dsrB的多态性；② 样本直接测序得到12519个OTU，epicPCR得到883个SRP-OTU，后者代表了具硫酸盐还原能力的细菌类群的多样性水平；③ 在两类OTU中，较多的门均为变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门；④ 120个优势SRP-OTU涵盖了17个门，其中只有7个是之前认可的SRP类群；⑤ 盐湖整体菌群受pH和水温影响较大，而SRP亚群则主要受水温和总氮调控。

Unraveling the diversity of sedimentary sulfate-reducing prokaryotes (SRP) across Tibetan saline lakes using epicPCR
05-04, doi: 10.1186/s40168-019-0688-4

【主编评语】硫酸盐还原是生态圈中重要的生物地球化学过程，然而硫酸盐还原菌（SRP）的主要类群尚未完全确定。中科院生态环境研究中心邓晔研究团队使用epicPCR（乳液、成对分离和连锁PCR）技术分析了西藏盐湖中的硫酸盐还原菌类群，发现了大量新的硫酸盐还原菌。（@高春辉）

土壤病毒组：新希望

mSystems[IF:5.75]

① 由于没有病毒的通用标记基因，因此在任何生态系统都需要宏基因组方法来实现病毒群落生态学研究；② 水体病毒富集通常可用过滤方法实现，而这在土壤样本病毒富集中较难实现，因此常常需要从宏基因组中挖掘病毒序列；③ 绝大多数已知的植物和真菌病毒都有RNA基因组，难以在DNA宏基因组中检测到；④ 土壤和根际病毒对农业生态系统中的作物健康、产量等影响现在，但其中的关联规律尚未详细探讨；⑤ 不同病毒的活性对土壤状态变化的响应有差别。

Soil Viruses: A New Hope
05-28, doi: 10.1128/mSystems.00120-19

【主编评语】作为微生物群落的重要成员，病毒可影响微生物死亡率、养分循环和食物网动态等。当前，关于病毒群落的认识多来自海洋系统，但是有证据表面在土壤中同样重要。（@高春辉）

感谢本期日报的创作者：高春辉

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