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(tuán)隊(duì)在國(guó)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(shí)將腸道菌群的功能分析提升到新維度，這也是首次通過(guò)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(xiàng)由深圳華大生命科學(xué)研究院宏基因組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)構(gòu)建的人腸道細(xì)菌基因組集及菌株庫(kù)，對(duì)于實(shí)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(jià)值，同時(shí)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(gè)月，從155名未服用任何藥物的健康人類捐贈(zèng)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(bǔ)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(zhǎng)培養(yǎng)基的瓊脂平板上（補(bǔ)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(chǔ)存在含有0.1％半胱氨酸的甘油懸浮液（20％，v / v）中。155個(gè)樣本的收集由BGI的生物倫理學(xué)和生物安全機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)批準(zhǔn)，編號(hào)：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(guó)國(guó)家基因庫(kù)的E-BioBank（EBB）中并且可從其獲得。

歷時(shí)六年 華大構(gòu)建人體腸道細(xì)菌基因組集

    近年來(lái)，腸道菌群的研究掀起了一波接一波的熱潮，也帶動(dòng)了整個(gè)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(shí)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(duì)于疾病與腸道菌群的相互作用機(jī)制的深入研究顯得愈發(fā)重要。為了進(jìn)一步擴(kuò)充腸道菌株庫(kù)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(guò)在（Bactron厭氧箱；Bactron IV-2  Shellab  USA)進(jìn)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(jìn)行全基因組測(cè)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(guò)基因組水平的物種分類，共發(fā)現(xiàn)338個(gè)Cluster（物種分類群），其中超過(guò)三分之一是新的物種，整體覆蓋了中國(guó)人的9大核心屬[2]。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了38個(gè)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(jìn)一步拓寬了我們對(duì)腸道微生物的認(rèn)識(shí)。除了提供人體腸道細(xì)菌的菌株庫(kù)，基因組數(shù)據(jù)對(duì)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(bǔ)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(duì)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(tuán)隊(duì)還對(duì)其中38種重要的腸道細(xì)菌分別進(jìn)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(shì)，放線菌門泛基因組相對(duì)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(duì)保守的。同時(shí)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(xiàng)目中產(chǎn)生的大量菌株資源和基因組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在國(guó)家基因庫(kù)生命大數(shù)據(jù)平臺(tái)（CNGBdb），該平臺(tái)面向全球科研人員提供組學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、搜索、計(jì)算、管理、可視化等服務(wù)，數(shù)據(jù)在平臺(tái)上對(duì)外共享，科研人員可免費(fèi)申請(qǐng)使用。
    人腸道菌群組成受遺傳和環(huán)境影響較大，基于中國(guó)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(duì)中國(guó)人群的微生物組與復(fù)雜疾病之間的機(jī)理研究、臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供了有力的支持。特別是此項(xiàng)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(jìn)一步推動(dòng)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。