自然生物技術(shù)—人體腸道細(xì)菌基因組集研究成果

     2019年2月5日上午，深圳華大團隊在國際知名學(xué)術(shù)期刊自然旗下子刊自然生物技術(shù)上發(fā)表了關(guān)于人體腸道細(xì)菌基因組集（Culturable GenomeReference, CGR）研究成果。該研究提供了1500多條高質(zhì)量的人體腸道細(xì)菌基因組，為腸道微生物組研究提供了大量全新的參考基因組數(shù)據(jù)，同時將腸道菌群的功能分析提升到新維度，這也是首次通過大規(guī)模培養(yǎng)的技術(shù)手段獲得如此多數(shù)量的高質(zhì)量細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)。這項由深圳華大生命科學(xué)研究院宏基因組學(xué)研究團隊主導(dǎo)構(gòu)建的人腸道細(xì)菌基因組集及菌株庫，對于實現(xiàn)精準(zhǔn)解密腸道菌群與疾病之間的關(guān)系具有重要的科研價值，同時也為人腸道菌株功能的深入探索提供了寶貴的基礎(chǔ)資源.

腸道細(xì)菌的厭氧培養(yǎng)方法 ：在抽樣前的最后一個月，從155名未服用任何藥物的健康人類捐贈者收集糞便樣本。。將樣品立即轉(zhuǎn)移到厭氧室（Bactron厭氧箱，Bactron IV-2，Shellab，USA），在補充有0.1％半胱氨酸的預(yù)還原磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中勻漿，然后稀釋并涂布在含有不同生長培養(yǎng)基的瓊脂平板上（補充表1）。將板在厭氧條件下在90％N 2,5％CO 2和5％H 2的氣氛中于37℃溫育2-3天。挑取單菌落并劃線到新平板上以獲得單克隆。將所有菌株在-80℃下儲存在含有0.1％半胱氨酸的甘油懸浮液（20％，v / v）中。155個樣本的收集由BGI的生物倫理學(xué)和生物安全機構(gòu)審查委員會批準(zhǔn)，編號：BGI-IRB17005-T1。所有協(xié)議均符合赫爾辛基宣言，并獲得所有參與者的明確知情同意。 CGR（可培養(yǎng)的基因組參考）中的細(xì)菌保藏在中國國家基因庫的E-BioBank（EBB）中并且可從其獲得。

歷時六年 華大構(gòu)建人體腸道細(xì)菌基因組集

    近年來，腸道菌群的研究掀起了一波接一波的熱潮，也帶動了整個微生態(tài)產(chǎn)業(yè)的火熱發(fā)展。2010年，由華大主導(dǎo)構(gòu)建的人體腸道微生物參考基因集[1] ，為腸道菌群研究開辟了新的方向，人們開始從基因?qū)用嫣矫厝梭w腸道微生物的組成與功能，此后大量的研究發(fā)現(xiàn)代謝、免疫、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等復(fù)雜疾病都與腸道菌群存在著密切的關(guān)聯(lián)，并證實了微生物組與部分疾病發(fā)生、發(fā)展的因果關(guān)系。隨著腸道微生物研究的不斷拓展與深入，高質(zhì)量參考基因組和活體菌株對于疾病與腸道菌群的相互作用機制的深入研究顯得愈發(fā)重要。為了進一步擴充腸道菌株庫和參考基因組，研究人員收集了155份健康人的糞便樣本，通過在（Bactron厭氧箱；Bactron IV-2  Shellab  USA)進行操作培養(yǎng)，獲得了6000多株腸道細(xì)菌，并選擇其中1700多株菌進行全基因組測序，最終構(gòu)建了1520株高質(zhì)量的腸道細(xì)菌基因組草圖。通過基因組水平的物種分類，共發(fā)現(xiàn)338個Cluster（物種分類群），其中超過三分之一是新的物種，整體覆蓋了中國人的9大核心屬[2]。同時也發(fā)現(xiàn)了38個宏基因組分析中的低豐度（< 1%）的屬，豐富了現(xiàn)有腸道微生物物種的多樣性，進一步拓寬了我們對腸道微生物的認(rèn)識。除了提供人體腸道細(xì)菌的菌株庫，基因組數(shù)據(jù)對現(xiàn)有腸道微生物組的研究提升也很明顯。與現(xiàn)有數(shù)據(jù)集比較發(fā)現(xiàn)，CGR補充了大量新的數(shù)據(jù)，極大豐富了現(xiàn)有的參考基因組數(shù)據(jù)。對于單菌基因組和宏基因組分析而言，顯著提升了可發(fā)現(xiàn)的單核苷酸多態(tài)性（SNP）和新基因數(shù)量。在功能水平，研究人員分析了這些菌株的9類KEGG基礎(chǔ)功能和7類有益和2類潛在危害性相關(guān)的功能基因，系統(tǒng)地展示了這些菌株在功能基因組層面的特性，為菌株功能的深入研究和后續(xù)應(yīng)用提供了全面的數(shù)據(jù)支持。此外，該團隊還對其中38種重要的腸道細(xì)菌分別進行了泛基因組分析，發(fā)現(xiàn)擬桿菌門的泛基因組具有更加開放的趨勢，放線菌門泛基因組相對閉合。從基因?qū)用娣治鲞@38種細(xì)菌的功能通路分布，發(fā)現(xiàn)普氏棲糞桿菌、直腸真桿菌等有益菌的產(chǎn)丁酸通路存在于核心基因組上，表明其產(chǎn)丁酸功能是相對保守的。同時也發(fā)現(xiàn)了其它很多功能在核心基因組和非核心基因組具有不同的分布規(guī)律。這也為一些潛在益生菌的篩選和發(fā)現(xiàn)，提供了非常重要的參考數(shù)據(jù)。該項目中產(chǎn)生的大量菌株資源和基因組數(shù)據(jù)存儲在國家基因庫生命大數(shù)據(jù)平臺（CNGBdb），該平臺面向全球科研人員提供組學(xué)數(shù)據(jù)存儲、搜索、計算、管理、可視化等服務(wù)，數(shù)據(jù)在平臺上對外共享，科研人員可免費申請使用。
    人腸道菌群組成受遺傳和環(huán)境影響較大，基于中國人群的腸道細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)集的建立，為后續(xù)針對中國人群的微生物組與復(fù)雜疾病之間的機理研究、臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供了有力的支持。特別是此項研究中獲得的多樣化的腸道細(xì)菌菌株，為后續(xù)的功能菌株研究及相關(guān)的科研轉(zhuǎn)化提供了極為寶貴的資源，將進一步推動基于人體微生態(tài)干預(yù)的相關(guān)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。