Nature子刊：新測序技術揭示細菌多樣性

　　斯坦福大學的研究人員首次將一種新測序技術用于人類腸道微生物組，揭示了驚人的細菌多樣性。這項研究發表在十二月十四日的Nature Biotechnology雜志上。

　　“這些細菌在遺傳學上比我們想象的更加多樣化，”文章資深作者Michael Snyder教授說。人類個體之間只有千分之一的基因組序列有差異，而同種細菌的不同個體居然有四分之一的序列存在差異。這樣的復雜性非常驚人，我們此前完全沒有想到，他說。

　　過去研究者們只能研究實驗室培養的細菌，但大多數細菌其實無法在傳統培養基上生長。結果人們一直沒能充分認識人類腸道甚至整個世界的細菌多樣性。誕生于上世紀90年代的宏基因組學為人們打開了一扇新的大門，揭示了像熱帶雨林一樣多樣性豐富的細菌世界。宏基因組學不經過培養階段，直接提取環境中總DNA進行研究和分析。隨著高通量測序技術不斷更新換代，宏基因組學得到了快速的發展。然而由于技術限制，宏基因組測序給出的信息還比較模糊。

　　人 類消化道中居住著大量的微生物，它們被統稱為腸道微生物組。腸道微生物組在人類代謝食物、抵御感染和應答藥物等過程中起到了重要的作用。近年來科學家們發 現，人類腸道中的共生菌對人體健康有很大的影響。一些腸道菌有益于人體健康，一些腸道菌與肥胖癥、二型糖尿病、腸道病和肝病有關，還有一些腸道菌可以致病 甚至致命（比如特定大腸桿菌和霍亂弧菌）。正因如此，腸道微生物組成為了新的研究熱點。

　　研究人員將Illumina長讀取技術（TruSeq Synthetic Long-Reads）與計算工具結合起來，克服了短讀取測序的技術限制，獲得了一名男性腸道微生物組的清晰圖譜。

　　短讀取DNA帶來的問題

　　目前大多數基因組測序讀出的是短DNA序列。如果只是測序一個基因組（一個細菌或是一個人），我們可以像玩拼圖那樣把這些片段組裝成起來，并沒有多么困難。但如果我們是在測序和組裝人類腸道的微生物組，就相當于把100個拼圖打散混合再嘗試將它們拼起來，想一想都令人頭大。更具挑戰性的是，這些拼圖看起來差異不大，而且沒有一個可以參考的圖片。

　　“我們通常是通過短讀取測序獲得一小段一小段的信息，”Snyder說。Snyder及其同事使用新生物信息學方法，將較大的基因組片段裝訂在一起。“我們用復雜的算法先將小片段組裝成10,000-base片段，再將10,000-base片段組裝成更長的片段，然后拼出整個基因組。”這種橫跨數百甚至數千個基因的長DNA，是很難從短讀取測序中復原出來的。這些序列可以幫助人們對細菌進行分類，發現容易被忽略的稀有細菌。

　　驚人的細菌多樣性

　　這么長的基因組片段不僅能鑒定不同的細菌種屬，還可以區分同種細菌的不同菌株。研究人員用已知細菌組成的標準樣本測試了自己的方法，并將這種方法用于一名男性的腸道菌樣本。研究顯示，腸道微生物組包括許多種細菌，同種細菌又包含不同類型的菌株。舉例來說，有一種細菌在該男性體內有五個不同的菌株。

　　目前還很難預計這種多樣性對人體健康的影響，不過可以肯定的是不同菌株具有不同的致病性。許多E. coli菌株在人類腸道中是無害甚至有益的，但有些菌株卻可能致命。這項研究使用的測序技術可以幫助研究者們明確哪些菌株有危險，以及這些菌株產生危險的原因。

　　過去的細菌毒力研究需要分離菌株并進行培養，但有些細菌是很難培養的。在人類腸道樣本中通過宏基因組測序直接分析毒力基因，不需要進行菌株分離和培養。“這有助于更好的認識致病基因，對于理解發病機理非常有效，”Snyder說。

　　研究指出，將Illumina長讀取技術與短讀取測序相結合，能夠更加精確和全面的分析宏基因組樣本，更容易在人、動物、植物、水和土壤中建立致病菌菌株的進化史。“長讀取提供的信息讓我們可以更加清晰的統觀全局。如果說過去我們是在看黑白電視，那么長讀取技術就相當于是IMAX電影，”Snyder指出。