國自然沖刺：打通菌群多樣性與功能的研究策略

瀏覽次數(shù)：3366　發(fā)布日期：2019-3-1　

近幾年，腸道微生物可以說是最熱的研究熱點(diǎn)，頻繁登上在CNS期刊的封面，不僅相關(guān)主題的學(xué)術(shù)論文表現(xiàn)強(qiáng)勢(shì)，而且國自然資助的腸道微生物項(xiàng)目數(shù)也呈顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中2018年一共資助了近180項(xiàng)研究，資助金額高達(dá)7600萬。由此可見腸道微生物一直是科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，相信2019年腸道微生物仍是國自然申請(qǐng)的熱點(diǎn)。總之，緊跟這個(gè)熱點(diǎn)，不僅容易發(fā)文、發(fā)好文，申請(qǐng)基金也更加容易。

國自然研究熱點(diǎn)

現(xiàn)有常用研究策略的不足

16S測(cè)序或宏基因是最常用的腸道微生物研究手段，主要側(cè)重研究腸道微生物的多樣性與生理、疾病之間的相關(guān)性。盡管這樣的研究方法能夠有助于了解生物過程中的菌群遷移情況以及找出潛在的參與疾病發(fā)生的菌株，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步借助動(dòng)物模型采用糞便移植或者特定菌株的灌胃實(shí)驗(yàn)等技術(shù)，可以相對(duì)直接地揭示腸道微生物或特定菌株與疾病之間的因果關(guān)系，但是對(duì)菌的功能與作用機(jī)制卻知之甚少，也就是說僅僅采用16S測(cè)序或宏基因測(cè)序難以實(shí)現(xiàn)對(duì)菌群功能的探究。因此，從國自然申請(qǐng)標(biāo)書的研究方案完整性與創(chuàng)新性上來看，這是需要大家關(guān)注的問題。

腸道菌群功能研究的切入點(diǎn)

目前大量研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物對(duì)食物或外源性物質(zhì)代謝過程中產(chǎn)生的一些小分子是有功能和活性的，如SCFAs，膽汁酸，TMA/TMAO，神經(jīng)遞質(zhì)，氨基酸等物質(zhì)對(duì)腸上皮組織乃至整個(gè)機(jī)體的物質(zhì)代謝、免疫調(diào)節(jié)以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)發(fā)揮著重要的作用。腸道菌群正是通過這些活性小分子與宿主進(jìn)行相互作用的。因此為了更好的理解腸道微生物-宿主之間的相互作用關(guān)系，不僅需要了解腸道菌群的多樣性變化，還需要進(jìn)一步研究腸道菌群功能的變化，即對(duì)腸道菌群代謝產(chǎn)物的變化進(jìn)行研究。所以如果從代謝物作為菌群功能研究的切入角度，相信會(huì)給申請(qǐng)國自然的項(xiàng)目的完整性、創(chuàng)新性加分不少。

打通多樣性+功能的研究策略——16S+代謝組

菌群的多樣性分析最常用的方法是采用16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序方法（以下簡(jiǎn)稱16S），其低成本快速高效，且方法成熟。而菌群功能則可以通過代謝組學(xué)對(duì)菌群相關(guān)的代謝產(chǎn)物進(jìn)行系統(tǒng)性地檢測(cè)。代謝組學(xué)是基于高通量分析和生物信息學(xué)技術(shù)，一種用于研究?jī)?nèi)源性小分子的組學(xué)技術(shù)，能夠客觀地檢測(cè)菌群代謝產(chǎn)物，清晰的反映腸道菌群“功能”在特定條件下的變化。（如果前期沒有關(guān)注特別關(guān)注的代謝物，可以選擇非靶向代謝組學(xué)進(jìn)行大規(guī)模篩選，如果有特定關(guān)注的代謝物，則可以選擇靶向代謝組學(xué)。）16S與代謝組學(xué)相結(jié)合，打通腸道群菌“多樣性”與“功能”，是最具有生物學(xué)聯(lián)系的兩個(gè)層面的聯(lián)合，有助于全面探索腸道菌群與疾病發(fā)生、藥物代謝/藥效關(guān)系。

正是因?yàn)?6S+代謝能夠研究得更加深入和完整，所以近2年不少高水平文章都是采用這樣的研究套路，甚至還有不少文章僅是補(bǔ)了個(gè)代謝實(shí)驗(yàn)，拿以前16S的數(shù)據(jù)又再發(fā)表了一篇文章。

16S+代謝聯(lián)合分析的關(guān)鍵——代謝組學(xué)

16S+代謝聯(lián)合分析能否做得好，更關(guān)鍵的可能在代謝組實(shí)驗(yàn)。16S是基于測(cè)序技術(shù)，起步早，方法成熟，不同平臺(tái)的檢測(cè)能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)接近，在這里不做過多討論。與16S 不同，代謝組學(xué)發(fā)展最晚，有一定特殊性，遠(yuǎn)比轉(zhuǎn)錄組、蛋白組更復(fù)雜，比如說鑒定、質(zhì)量控制都存在很多難點(diǎn)。不同平臺(tái)的分析能力差異還是非常大的。

● 從鑒定來說，代謝組無法像測(cè)序一樣做拼接，也無法像蛋白組一樣通過公共數(shù)據(jù)庫直接解決鑒定問題。代謝物存在大量的同分異構(gòu)體和分子質(zhì)量相近的物質(zhì)，因此如果通過分子質(zhì)量去檢索公共數(shù)據(jù)庫往往會(huì)匹配到多個(gè)代謝物，這樣的結(jié)果毫無意義。那代謝物究竟是怎么去做鑒定的呢？當(dāng)儀器型號(hào)和參數(shù)固定了，代謝物碎裂形成的二級(jí)譜圖也就固定了，但可避免的也會(huì)出現(xiàn)碎裂圖譜相似的代謝物干擾匹配結(jié)果，所以一般還需要經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行人工二次確認(rèn)。正是因?yàn)榇x物有這樣的特點(diǎn)，目前代謝物的精確鑒定是非常依賴于本地標(biāo)品自建數(shù)據(jù)庫+人工二次確認(rèn)，也是決定不同分析平臺(tái)鑒定結(jié)果可靠性的重要判斷依據(jù)。

● 從質(zhì)控來說，代謝個(gè)體化差異大，所以樣本數(shù)量比其他組學(xué)要求多，因此實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性是很關(guān)鍵的考察點(diǎn)，發(fā)文章也是需要展示質(zhì)控結(jié)果的，同樣的，在考量不同分析平臺(tái)的時(shí)候質(zhì)控也應(yīng)該是非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，不要忽視。

如何進(jìn)行16S+代謝組學(xué)的聯(lián)合分析

關(guān)聯(lián)分析是數(shù)據(jù)深入挖掘的一種方式，主要用來發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)集中的關(guān)聯(lián)性或相關(guān)性。目前16S+代謝組學(xué)的聯(lián)合分析分為三步：

第一步：分別對(duì)16S和代謝組的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，篩選顯著性差異菌群與顯著性差異代謝物。

第一步

第二步：基于Spearman或Pearson統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法對(duì)顯著性差異菌群與顯著性差異代謝物進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。相關(guān)性系數(shù)越大，表明對(duì)應(yīng)的菌與代謝物之間的相關(guān)性越強(qiáng)。

第二步

第三步：借助網(wǎng)絡(luò)圖、層次聚類熱圖等可視化方法，從多個(gè)角度對(duì)相關(guān)性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行展示和挖掘，篩選引起代謝變化的關(guān)鍵菌株。

總結(jié)

綜上所述，16S+代謝的研究策略彌補(bǔ)了目前16S或宏基因?qū)δ苎芯康娜笔�，是最具生物學(xué)意義的兩個(gè)組學(xué)關(guān)聯(lián)，打通了菌群多樣性與功能，借助相關(guān)性分析，可以對(duì)關(guān)鍵菌株及其功能進(jìn)行挖掘，能夠把文章故事講的更深、更完整、更創(chuàng)新。代謝組學(xué)發(fā)展較晚，是聯(lián)合分析的關(guān)鍵，如果代謝組學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量存在問題是會(huì)影響聯(lián)合分析數(shù)據(jù)挖掘。

中科新生命（APT）成立于2004年，秉承中科，專“新”致“質(zhì)”，是國內(nèi)最早開展代謝組學(xué)服務(wù)的平臺(tái)之一。與其他平臺(tái)相比，APT有2大優(yōu)勢(shì)，是值得您放心的選擇。

專 “新”

中科新生命提供完整、創(chuàng)新的解決方案：

● 已打通多樣性到功能的完整解決方案（16S+代謝組）。

● 建立宏蛋白組學(xué)服務(wù)平臺(tái)，為菌群功能研究提供全新角度。

致 “質(zhì)”

中科新生命已成功搭建樣本經(jīng)驗(yàn)豐富、質(zhì)控嚴(yán)格及大項(xiàng)目對(duì)接合作平臺(tái)：

● 經(jīng)驗(yàn)豐富：已成功建立2700+代謝組學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品數(shù)據(jù)庫，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行人工確認(rèn)，保證結(jié)果可靠性。

● 質(zhì)控嚴(yán)格：采用6大質(zhì)控指標(biāo)，全面評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。

● 合作能力：已發(fā)表多篇高分代謝組學(xué)文章，并且參與多個(gè)精準(zhǔn)醫(yī)療專項(xiàng)，充分具備大隊(duì)列項(xiàng)目的合作能力。

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