科學家開發新的宏基因組分析工具

　　對環境樣品（如海水、醫院表面和人類腸道）直接進行微生物測序，已經闡明了我們世界中存在的大量微生物。然而，一個微生物物種可能存在遺傳多樣性，而在宏基因組分析中往往捕獲不到這種多樣性。最近在《Genome Research》發表的一項研究中，科學家們開發了一種新的工具，來檢測細菌物種內的遺傳差異，并在母嬰微生物組和海洋宏基因組中發現了一種新的傳播模式，此前在物種水平的分析中沒有發現。

　　在一個給定的細菌物種中，基因內容可能與參考基因組有50%或更多的不同。本文資深作者、來自Gladstone研究所和加州大學舊金山分校的Katherine Pollard博士說：“這表明在菌株水平上的大量變異可能有真正的功能性后果。因此，迫切需要一種高效的計算工具，量化來自于鳥槍宏基因組學數據的這種變異。”

　　研究人員開發了一種工具——MIDAS，用于快速分析不同菌株之間的基因內容和單核苷酸變異的差異。為了創建MIDAS，研究人員首先生成一個數據庫，包含31007個高品質的細菌基因組。使用一組（30個）高信息量的“通用”基因，他們將基因組進行了分層聚類，以定義物種。研究人員能夠將以前未加注釋的基因組的8.6%分配到一個物種。

　　研究人員將MIDAS運用于 98個母嬰大便宏基因組，利用株系水平的遺傳差異，來追蹤母親和嬰兒之間的細菌差異。本文第一作者、加州大學舊金山分校的研究生Stephen Nayfach說：“株系水平的變異所揭示的模式，與從物種水平上所推測的模式相矛盾。”以往的研究表明，在生命的第一年，母親和嬰兒的微生物組變得更加相似。然而，通過檢測“標記的等位基因”，或罕見的遺傳差異，研究人員發現，早期定植的菌株是從母親傳遞給嬰兒的，但后期定植的菌株則是不同的，可能是從環境中獲得的。Pollard說：“嬰兒的腸道微生物組在第一年成熟，從而給我們的印象是來自于母親的持續傳播。但細菌中的遺傳變異表明，所獲得的菌株往往跟母親的并不相同。”

　　研究人員還將MIDAS應用于在世界各地海洋的不同深度收集的海洋樣品。最普遍的海洋細菌在基因含量上存在差異，這與地理緊密相關。還需要開展進一步的工作，弄清不同位置之間的遺傳差異是否是適應性或物種內遺傳漂移的結果。Pollard說：“下一個大的挑戰是，揭開推動微生物組中種群結構的動力，并將這種變異性與宿主和環境特征聯系起來。”

　　微生物幾乎是無所不在的，它們對生態環境和人體健康起到了不容忽視的作用。然而人們對微生物的了解還相當匱乏，因為許多微生物是無法在實驗室中培養的。宏基因組學是了解這些微生物的重要途徑，但宏基因組測序并不是一件容易的事兒，就像是把許多拼圖拆散混在一起，然后在毫無參考的情況下拼接。因此，科學家們針對宏基因組分析開展了大量的嘗試和研究。

　　在2014年7月6日的《Nature Biotechnology》雜志發表的一項研究中，來自丹麥工業大學（DTU）、華大基因、華南理工大學和哥本哈根大學等處的研究人員提出一種方法，基于對一系列宏基因組樣品的co-abundant基因進行分級，可讓研究人員能夠全面發現新的微生物、病毒和共遺傳的基因實體，并有助于微生物基因組的組裝，而無需參考序列。相關閱讀：華大參與：復雜宏基因組數據的新分析法。

　　美國Los Alamos國家實驗室的科學家們在2015年3月的Nucleic Acids Research雜志上，向人們展示了一個宏基因組分析的新工具，有助于對各種微生物群體（包括海洋、土壤和腸道微生物）進行DNA分析。

　　今年2月份，Nature Methods雜志發布了一個名為TruSPADES的強大工具，可以大大提升研究者們測序宏基因組的能力。這種算法能將Illumina測序儀生成的300bp短讀取，合并成大約1萬bp的基因組片段（Synthetic Long Reads）。