Nature子刊：新测序技术揭示细菌多样性

　　斯坦福大学的研究人员首次将一种新测序技术用于人类肠道微生物组，揭示了惊人的细菌多样性。这项研究发表在十二月十四日的Nature Biotechnology杂志上。

　　“这些细菌在遗传学上比我们想象的更加多样化，”文章资深作者Michael Snyder教授说。人类个体之间只有千分之一的基因组序列有差异，而同种细菌的不同个体居然有四分之一的序列存在差异。这样的复杂性非常惊人，我们此前完全没有想到，他说。

　　过去研究者们只能研究实验室培养的细菌，但大多数细菌其实无法在传统培养基上生长。结果人们一直没能充分认识人类肠道甚至整个世界的细菌多样性。诞生于上世纪90年代的宏基因组学为人们打开了一扇新的大门，揭示了像热带雨林一样多样性丰富的细菌世界。宏基因组学不经过培养阶段，直接提取环境中总DNA进行研究和分析。随着高通量测序技术不断更新换代，宏基因组学得到了快速的发展。然而由于技术限制，宏基因组测序给出的信息还比较模糊。

　　人 类消化道中居住着大量的微生物，它们被统称为肠道微生物组。肠道微生物组在人类代谢食物、抵御感染和应答药物等过程中起到了重要的作用。近年来科学家们发 现，人类肠道中的共生菌对人体健康有很大的影响。一些肠道菌有益于人体健康，一些肠道菌与肥胖症、二型糖尿病、肠道病和肝病有关，还有一些肠道菌可以致病 甚至致命（比如特定大肠杆菌和霍乱弧菌）。正因如此，肠道微生物组成为了新的研究热点。

　　研究人员将Illumina长读取技术（TruSeq Synthetic Long-Reads）与计算工具结合起来，克服了短读取测序的技术限制，获得了一名男性肠道微生物组的清晰图谱。

　　短读取DNA带来的问题

　　目前大多数基因组测序读出的是短DNA序列。如果只是测序一个基因组（一个细菌或是一个人），我们可以像玩拼图那样把这些片段组装成起来，并没有多么困难。但如果我们是在测序和组装人类肠道的微生物组，就相当于把100个拼图打散混合再尝试将它们拼起来，想一想都令人头大。更具挑战性的是，这些拼图看起来差异不大，而且没有一个可以参考的图片。

　　“我们通常是通过短读取测序获得一小段一小段的信息，”Snyder说。Snyder及其同事使用新生物信息学方法，将较大的基因组片段装订在一起。“我们用复杂的算法先将小片段组装成10,000-base片段，再将10,000-base片段组装成更长的片段，然后拼出整个基因组。”这种横跨数百甚至数千个基因的长DNA，是很难从短读取测序中复原出来的。这些序列可以帮助人们对细菌进行分类，发现容易被忽略的稀有细菌。

　　惊人的细菌多样性

　　这么长的基因组片段不仅能鉴定不同的细菌种属，还可以区分同种细菌的不同菌株。研究人员用已知细菌组成的标准样本测试了自己的方法，并将这种方法用于一名男性的肠道菌样本。研究显示，肠道微生物组包括许多种细菌，同种细菌又包含不同类型的菌株。举例来说，有一种细菌在该男性体内有五个不同的菌株。

　　目前还很难预计这种多样性对人体健康的影响，不过可以肯定的是不同菌株具有不同的致病性。许多E. coli菌株在人类肠道中是无害甚至有益的，但有些菌株却可能致命。这项研究使用的测序技术可以帮助研究者们明确哪些菌株有危险，以及这些菌株产生危险的原因。

　　过去的细菌毒力研究需要分离菌株并进行培养，但有些细菌是很难培养的。在人类肠道样本中通过宏基因组测序直接分析毒力基因，不需要进行菌株分离和培养。“这有助于更好的认识致病基因，对于理解发病机理非常有效，”Snyder说。

　　研究指出，将Illumina长读取技术与短读取测序相结合，能够更加精确和全面的分析宏基因组样本，更容易在人、动物、植物、水和土壤中建立致病菌菌株的进化史。“长读取提供的信息让我们可以更加清晰的统观全局。如果说过去我们是在看黑白电视，那么长读取技术就相当于是IMAX电影，”Snyder指出。