微生物系列專題01微生物組學與人體健康研究進展

?微生物組學與人體健康研究進展解螺旋

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牌01微生物組研究背景介紹02微生物組學技術及多組學研究簡介03CONTENTS課

程

目

錄人體微生物組與健康研究進展微生物組研究背景介紹01解

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牌微生物組與微生物組學微生物組（Microbiome）

一個特定環(huán)境或者生態(tài)系統(tǒng)中全部微生物及其遺傳信息，包括其細胞群體以及全部遺傳物質微生物組學（Microbiomics）

是以微生物組為對象，研究其

結構與功能、內部群體間的相互關系和作用機制，研究其與環(huán)境或者宿主的相互關系，并

最終能夠調控微生物群體生長、代謝等，為人類健康和社會可

持續(xù)發(fā)展服務解

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牌菌群（Microbiota），

Metagenome（宏基因組），微生物組（Microbiome）區(qū)別a

|Microbiota:

16S

rRNAsurveys

are

used

to

taxonomically

identify

the

microorganisms

in

the

environment.

b|

Metagenome:

thegenesand

genomes

ofthe

microbiota,

including

plasmids,

highlighting

the

genetic

potentialof

the

population.c

|

Microbiome:

the

genes

and

genomes

ofthe

microbiota,

as

well

as

theproductsofthe

microbiota

andthe

host

environment.DOI:

10.1038/nrurol.2014.361解

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牌微生物組重要的生態(tài)作用2014年綜合人體微生物組計劃TheIntegrativeHuman

Microbiome

Project簡稱：iHMP解

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牌微生物研究國際計劃Human

MicrobiomeProject簡稱：HMP美國和歐盟啟動的HMP計劃2007年人類微生物組計劃投資1.5億美元歐盟MetaHIT計劃2010年人類腸道宏基因組計劃投資2200萬歐元Metagenomicsof

the

HumanIntestinal

Tract簡稱:Meta-HIT2016年國家微生物組計劃投資5.21億美元National

MicrobiomeInitiative簡稱:NMI美國NMI計劃解

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長中國微生物研究計劃（CMI） 知

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牌2016年12月1日

中國微生物研究計劃研究方向:

“6+2”模式6個領域:

人體、環(huán)境、農作物、家養(yǎng)動物腸道、工業(yè)以及海洋兩個方向:微生物組研究方法及應用技術平臺和微生物組數(shù)據儲存及功能挖掘2017年12月20日

中國科學院重點部署項目“人體與環(huán)境健康的微生物組共性技術研究”暨“中國科學院微生物組計劃”解

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牌來源：Pubmed時間：至2018年9月份微生物相關文章發(fā)表數(shù)量呈快速增長趨勢Pubmed:

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(gutmicrobiota

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牌微生物組成為頂尖雜志封面的?？椭?/p>

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牌2018年國自然統(tǒng)計其它91%微生物相關~10%其它微生物85%腸道微生物相關15%風濕免疫9%代謝疾病30%腫瘤/癌9%醫(yī)學+生命科學共15805項共獲資助697771萬元腸道微生物共215項共獲資助11278.8萬元包括：重點項目

10

個面上項目

104

個解

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長中醫(yī)/中藥59%其它41%知

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牌微生物研究帶動的相關產業(yè)發(fā)展體外診斷行業(yè):

腸道菌群檢測/分子標記物診斷目前腸道菌群檢測公司主要以B2C及B2B為主，較成熟公司主要針對健康管理公司、體檢機構、高端會所。國內該類型公司目前

有10多家，如量化健康、態(tài)昌基因、微健康基因、銳翌健康等保健品行業(yè)：微生態(tài)制劑/藥物研發(fā)目前形式多樣：益生元、益生菌、合生元產品層

出不窮。除傳統(tǒng)的奶制品外，涌出大量以腸道

菌群調理為口號的新產

品。解

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旋醫(yī)療健康行業(yè):

糞便移植/糞便銀行美國馬薩諸塞州梅德福的“糞便銀行”

——OpenBiome香港-亞洲益菌中心(AsiaMicrobiota

Bank)荷蘭最近開設了該國首間“糞便銀行”,通過收集和儲存糞便,為治療腸道感染患者“移植糞便”健康管理/醫(yī)美行業(yè)：糖尿病、亞健康管理；美容、護膚亞健康管理公司、會所成立，針對“以腸道菌群為靶點”的健康調理，目標人群：肥胖、糖尿病、腸道菌群失調、腫瘤等強生、歐萊雅等都在投資的微生物菌群護膚品，Esse、Bebe&Bella早已玩轉！| 陪

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長人體微生物組與健康研究進展02解

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牌人體微生物組隨增齡而變化DOI：10.1016/j.cell.2017.11.024知

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牌腸道微生物失調與多種疾病相關消化道疾病：結腸癌、大腸癌、克羅恩病和潰瘍性結腸炎（IBD

）等代謝性疾?。禾悄虿　⒎逝?、脂肪肝、動脈粥樣硬化、冠心病、心腦血管疾病等精神性疾?。阂钟舭Y、自閉癥、焦慮等神性系統(tǒng)疾?。号两鹕　柎暮Ｄ〉茸陨砻庖咝约膊。侯愶L濕性關節(jié)炎（RA）、慢性疲勞綜合征等解

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伴…醫(yī)

生…科

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牌腸道菌群失調與心血管疾病DOI:

10.1161/CIRCULATIONAHA.116.024251腸道菌群失調與心血管疾?。–VD）以及多種心臟代謝綜合征有關；動物模型和人類研究中已經證明腸道微生物群落形成的氧化三甲胺（TMAO）與CVD發(fā)生的相關機制；糞菌移植、益生元/益生菌和TMAO抑制劑等針對腸道微生物群落的干預和治療手段為CVD治療提供了新機遇；臨床追蹤試驗發(fā)現(xiàn)地中海式飲食或素食有助于產生短鏈脂肪酸、減少三甲胺及次級膽酸生成，進而降低心臟代謝性疾病發(fā)生解

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牌腸道微生物與肥胖DOI:

10.1126/science.aaf5094DOI:

10.1126/science.1243787腸道微生物與肥胖間的因果關系證據影響糖尿病和肥胖發(fā)生的非遺傳環(huán)境因素解

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牌微生物組誘發(fā)高血壓的可能原因DOI:

10.1161/CIRCRESAHA.116.310339中樞神經系統(tǒng)的交感神經

活動與增加的腸道通透性

之間存在直接的因果關系；腸道通透性的變化導致高血壓并導致腸道細菌類型的改變；此外導致腸道通透性增加的交感神經活動的變化也與腸壁內炎癥細胞的增加有關解

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牌腸-肝軸與肝臟疾病DOI:

10.1038/

s41575-018-0011-z肝臟代謝產物能夠影響腸道微生物群落組成、腸道屏障完整性，而腸道因子則可調節(jié)肝臟中的膽汁酸合成、葡萄糖和脂質代謝；非酒精性脂肪性肝和酒精性肝等肝臟疾病間并非無關聯(lián);

肝臟、腸道中的促炎變化導致肝臟纖維化→肝硬化→肝細胞癌的發(fā)展解

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牌腸道微生物影響癌癥患者免疫治療效果DOI:

10.1126/science.aar6918?某些特定菌種的存在與免疫檢查點抑制劑的療效相關抗生素可削弱免疫檢查點抑制劑的療效?菌群產生毒性、致癌性代謝產物，或通過引起炎癥或免疫抑制，直接或間接地調控腫瘤的發(fā)生、進展以及腫瘤治療效果微生物組學技術及多組學研究簡介03知

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牌微生物研究方法微生物樣解本螺

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長分離培養(yǎng)方法檢測＜1%的微生物物種分子生物學技術微生物群落結構的全面解析高通量測序PCR-DGGE分子生物學方法實時熒光定量PCR克隆文庫傳統(tǒng)方法微生物培養(yǎng)解

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牌測序技術飛速發(fā)展2018201120152012PacBio

RSOxfordNanopore

MinIONMiseq

v3Hiseq

X

Five/

×Ten

PacBio

Sequel20152014通量高，人類基因組的測序費用首次降至1000美元以下平均讀長~

20

kb核酸測序技術速度、通量的驚人增長、測序成本的降低 極大促進了微生物組研究進展三代長讀長測序三代長讀長測序，便攜，操作簡便，成本低2013PacBio

RSⅡ三代長讀長測序，平均讀長~

10

kbDOI:10.1038/nprot.2016.148解

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牌如何進行人體微生態(tài)研究DOI:10.3389/fped.2017.00138代謝產物基因表達水平群落組成基因及基因功能宏基因組學宏轉錄組學宏蛋白組學宏代謝組學DNARNA蛋白質代謝產物蛋白水平微生物多樣性宏基因組測序宏轉錄組測序蛋白質檢測代謝產物檢測人體特定部位研究對象組學技術研究方法產出解

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長微生物多樣性測序 知

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牌V1V2V3V4V5V6V8V7V9341F806R515F806R基本介紹通過對指定環(huán)境中微生物（細菌和古菌16S

rDNA序列高變區(qū)域（V1-V9）；真核生物18S

rRNA基因序列可變區(qū)域（V1-V5和V7-9）或ITS區(qū)域(ITS1/ITS2））進行序列測定，研究該環(huán)境下微生物群落的多樣性，包括微生物群落組成、分布特征、進化關系以及微生物與宿主、環(huán)境間的互作關系等研究對象特定環(huán)境中細菌或古細菌、真菌等0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500技術路線解

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長宏基因組測序 知

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牌基本介紹以特定環(huán)境中整個微生物群落作為研究對象，不需對環(huán)境中微生物進行分離培養(yǎng)，利用高通量測序平臺進行測序，可以進行微生物組成及種類鑒定、系統(tǒng)進化、功能注釋，樣品間的物種或基因差異以及物種間的代謝網絡等分析宏基因組技術路線樣品提取基因組DNA基因組DNA片段化Illumina測序數(shù)據質控高質量數(shù)據生物信息學分析解

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牌宏轉錄組測序-研究活性微生物Total

RNA檢測rRNA去除雙鏈cDNA合成末端修復

加A

和接頭片斷選擇和PCR富集文庫構建上機測序基本介紹宏基因組只能從DNA水平預測潛在的代謝功能和基因表達，然而在特定的時空下并非所有的基因都會表達。為了研究特定時空下微生物群落如何應對環(huán)境因子的變化，包括活躍菌種的組成及活性基因的表達，則需要分析微生物群落的mRNA表達情況。解

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牌微生物分析芯片—中科普瑞國內首推基于NCBI數(shù)據庫序列數(shù)據分析科保守區(qū)域和靶標特異性區(qū)域的非多態(tài)性序列可實現(xiàn)菌種和菌株水平檢測；可檢出12,000多種微生物，包括細菌、古菌、真菌、病毒和原生生物，單次試驗即可檢測出樣品中的所有已知微生物解

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牌宏基因組宏轉錄組微生物多樣性測序（二代）微生物芯片微生物16S全長測序（三代）檢測平臺Illumina

HiseqX&NovaseqIllumina

HiseqX&NovaseqIlluminaMiseqPE300Axiom

Microbial

ArrayPacbio檢測微生物種類細菌、真菌、古菌、病毒、原核生物細菌、真菌、古菌、病毒、原核生物細菌、真菌或古菌中的一種細菌、真菌、古菌、病毒、原核生物細菌、真菌、古菌中的一種物種分類鑒定種種屬種或菌株種或屬，依賴于數(shù)據庫物種組成√√（活性）√√√物種豐度√√（活性）√X√基因預測√√（活性）通過16S預測，準確性低X通過16S預測，準確性低功能注釋√√（活性）通過16S預測，準確性低X通過16S預測，準確性低代謝通路√√（活性）通過16S預測，準確性低X通過16S預測，準確性低備注：根據研究目的，選擇合適的平臺；如果初步做樣本篩選，可以做16S，再選取有代表性的樣本做宏基因組測序或宏轉錄組。常見的微生物研究方法比較DOI:

10.1038/NMICROBIOL.2016.49解

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牌功能基因含量基因突變基因調節(jié)基因表達蛋白含量

蛋白活性

翻譯后修飾內源代謝物

外源代謝物

的定性與定量微生物表型組表型特點環(huán)境擾動健康或疾病微生物多組學研究①

利用宏基因組學方法研究微生物群體為人們較好地闡釋了微生物群體的多樣性和重要性；②

然而僅依靠DNA層面的分析，不能很好地研究微生物組的功能情況；③

因此建議利用多組學分析的方法（包括——基因組學、宏轉錄組學、宏蛋白質組學和代謝組學），

為微生物表型組提供更豐富的信息來源。解

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牌宿主基因組+微生物多組學研究助力疾病研究解

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牌為何要做多組學研究？地域因素對菌群診斷模型的影響6%，其它影響？解

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牌與異卵雙胞胎相比，同卵雙胞胎（基因完全相同）之間的微生物豐度更為相似。異卵雙胞胎的基因相似