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Nature重磅:华大发布全球最大人体肠道细菌基因组集研究成果

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2019年2月5日上午,华大团队在国际顶级学术期刊Nature旗下子刊Nature Biotechnology上发表了全球最大人体肠道细菌基因组集(Culturable GenomeReference, CGR)研究成果。

Nature官网截图
访问原文:https://www.nature.com/articles/s41587-018-0008-8

该研究提供了1500多条高质量的人体肠道细菌基因组,为肠道微生物组研究提供了大量全新的参考基因组数据,同时将肠道菌群的功能分析提升到新维度,这也是首次通过大规模培养的技术手段获得如此多数量的高质量细菌基因组数据。这项由深圳华大生命科学研究院宏基因组学研究团队主导构建的人肠道细菌基因组集及菌株库,对于实现精准解密肠道菌群与疾病之间的关系具有重要的科研价值,同时也为人肠道菌株功能的深入探索提供了宝贵的基础资源。

影响人体健康的重要因素——肠道菌群

近年来,肠道菌群的研究掀起了一波接一波的热潮,也带动了整个微生态产业的火热发展。2010年,由华大主导构建的人体肠道微生物参考基因集[1] ,为肠道菌群研究开辟了新的方向,人们开始从基因层面探秘人体肠道微生物的组成与功能,此后大量的研究发现代谢、免疫、消化系统、神经系统等复杂疾病都与肠道菌群存在着密切的关联,并证实了微生物组与部分疾病发生、发展的因果关系。

对于人体来说,维持肠道菌群的正常平衡,是保证身体健康的重要一环。一旦肠道菌群结构发生异常,就可能带来诸如代谢疾病、自身免疫性疾病等问题,连肥胖、糖尿病等多种代谢异常疾病也可能找上门来。

历时六年 华大构建全球最大人体肠道细菌基因组集

随着肠道微生物研究的不断拓展与深入,高质量参考基因组和活体菌株对于疾病与肠道菌群的相互作用机制的深入研究显得愈发重要。为了进一步扩充肠道菌株库和参考基因组,研究人员收集了155份健康人的粪便样本,通过11种培养条件,获得了6000多株肠道细菌,并选择其中1700多株菌进行全基因组测序,最终构建了1520株高质量的肠道细菌基因组草图。通过基因组水平的物种分类,共发现338个Cluster(物种分类群),其中超过三分之一是新的物种,整体覆盖了中国人的9大核心属[2]。同时也发现了38个宏基因组分析中的低丰度(< 1%)的属,丰富了现有肠道微生物物种的多样性,进一步拓宽了我们对肠道微生物的认识。

除了提供人体肠道细菌的菌株库,基因组数据对现有肠道微生物组的研究提升也很明显。与现有数据集比较发现,CGR补充了大量新的数据,极大丰富了现有的参考基因组数据。对于单菌基因组和宏基因组分析而言,显著提升了可发现的单核苷酸多态性(SNP)和新基因数量。在功能水平,研究人员分析了这些菌株的9类KEGG基础功能和7类有益和2类潜在危害性相关的功能基因,系统地展示了这些菌株在功能基因组层面的特性,为菌株功能的深入研究和后续应用提供了全面的数据支持。

此外,该团队还对其中38种重要的肠道细菌分别进行了泛基因组分析,发现拟杆菌门的泛基因组具有更加开放的趋势,放线菌门泛基因组相对闭合。从基因层面分析这38种细菌的功能通路分布,发现普氏栖粪杆菌、直肠真杆菌等有益菌的产丁酸通路存在于核心基因组上,表明其产丁酸功能是相对保守的。同时也发现了其它很多功能在核心基因组和非核心基因组具有不同的分布规律。这也为一些潜在益生菌的筛选和发现,提供了非常重要的参考数据。

该项目中产生的大量菌株资源和基因组数据存储在国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),该平台面向全球科研人员提供组学数据存储、搜索、计算、管理、可视化等服务,数据在平台上对外共享,科研人员可免费申请使用。(网址获取:国家基因库生命大数据平台CNGBdb:https://db.cngb.org/cnsa/project/CNP0000126/public/)

深圳华大生命科学研究院宏基因组研究中心项目负责人、该论文的第一作者邹远强介绍,本研究首次公开了通过细菌培养测序获得大量(数量超过1000)的肠道细菌参考基因组,发现了很多之前“不能培养的”肠道微生物新类群,打破了大部分肠道细菌在体外不可培养的传统观念,充分表明了肠道细菌培养技术对于深入解析肠道微生物的群落结构和功能的必要性。文章共同第一作者、华大生物信息分析高级工程师罗广文表示,团队在构建活菌库的同时,也致力于资源信息干库的建设,充分借鉴国内外相关研究的标准、工具和方法,创新性地提出了一些新的解决方案,为后续相关研究提供了重要参考。

人肠道菌群组成受遗传和环境影响较大,基于中国人群的肠道细菌基因组数据集的建立,为后续针对中国人群的微生物组与复杂疾病之间的机理研究、临床应用转化提供了有力的支持。特别是此项研究中获得的多样化的肠道细菌菌株,为后续的功能菌株研究及相关的科研转化提供了极为宝贵的资源,将进一步推动基于人体微生态干预的相关新兴产业的发展。

1.Qin J, Li R, Raes J, et al. A human gut microbialgene catalogue established by metagenomic sequencing[J]. nature, 2010,464(7285): 59.

2. Zhang, J. et al. A phylo-functional core of gutmicrobiota in healthy young Chinese cohorts across lifestyles, geography andethnicities. ISME J, 2015, 9,1979–1990.

小普
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