大量數(shù)據(jù)已證實(shí)腸道菌群在人類健康和疾病中扮演著重要角色。然而，目前地球上超過99%的微生物還沒有被培養(yǎng)，它們也被稱為“暗物質(zhì)”，對微生物組研究是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。近年來，一種基于非培養(yǎng)策略下的宏基因組學(xué)分箱技術(shù)，通過各種聚類算法，為各種自然生態(tài)位中大量尚未被培養(yǎng)的微生物提供了參考基因組，也讓我們有機(jī)會(huì)對這些“暗物質(zhì)”有基本的認(rèn)識(shí)。然而，當(dāng)下參差不齊的基因組質(zhì)量和非典型地區(qū)人群樣本的缺乏限制了我們對暗物質(zhì)更深入的理解。圖1 以益生菌Probio-M8為標(biāo)記物的混合、超深度宏基因組測序和組裝質(zhì)量評估
近日，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品生物技術(shù)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在Nature Microbiology雜志發(fā)表了一項(xiàng)研究，采用二三代混合深度宏基因組測序策略，基于先前開展的一項(xiàng)益生菌（Probio-M8）酸奶人群干預(yù)實(shí)驗(yàn)，利用PromethION和HiSeq平臺(tái)對其中180份糞便樣本進(jìn)行超深度宏基因組測序，共生成3.7 Tbps三代和20.1 Tbps二代數(shù)據(jù)。為了評估組裝流程的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)基于三種不同的測序和組裝策略（即僅三代序列組裝、二三代混合組裝、僅二代序列組裝），直接從飲用過益生菌酸奶志愿者腸道的樣本中組裝出Probio-M8基因組，并與參考基因組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)相較二代測序，三代測序顯著提高了裝配連續(xù)性，可構(gòu)建出高連續(xù)性基因組支架，而足量的二代測序也對于提升堿基準(zhǔn)確性、基因組完整性和功能分析準(zhǔn)確性至關(guān)重要，強(qiáng)調(diào)了在宏基因組數(shù)據(jù)集中使用“已知和/或預(yù)期的”基因組來評估測序和組裝工作流程質(zhì)量的重要性。圖2內(nèi)蒙古人腸道基因組IMGG數(shù)據(jù)庫概述
基于上述組裝流程，結(jié)合宏基因組分箱策略，構(gòu)建了內(nèi)蒙古人腸道基因組數(shù)據(jù)庫（IMGG），包括802個(gè)環(huán)狀、完整基因組（CMAG）和5927個(gè)高質(zhì)量基因組，且滿足較為嚴(yán)格的MIMAG標(biāo)準(zhǔn)中的高質(zhì)量基因組定義（即，完整性>90%，污染<5%，擁有完整的5S、16S和23S rRNA基因和18種tRNA基因）。通過與現(xiàn)有最全面的人類腸道基因組數(shù)據(jù)庫（UHGG）比較，發(fā)現(xiàn)IMGG相較UHGG數(shù)據(jù)庫在基因組連續(xù)性提升巨大，尤其是在二代測序中容易被遺漏的區(qū)域，包括核糖體RNA操縱子（rrns）、代謝基因簇（MGC）、原噬菌體和插入序列（IS）。基于這些高質(zhì)量基因組，該研究報(bào)道了未培養(yǎng)物種的rrn拷貝數(shù)，超過12000個(gè)未知的腸道前噬菌體及其功能特征，以及IS元素在腸道細(xì)菌中的分布情況，并評估了這些先前被嚴(yán)重低估的區(qū)域在腸道微生物組研究中的潛在重要性。圖3 IMGG數(shù)據(jù)庫增強(qiáng)基因組遺傳元件的分辨率
總的來說，這項(xiàng)研究拉近了我們與“白金”基因組的距離，提示未來腸道基因組學(xué)研究需要重點(diǎn)關(guān)注代表性不足的基因組區(qū)域。值得關(guān)注的是，長讀長測序技術(shù)與日俱新，隨著測序精度的不斷提升，有望在不久的將來消除或減少對二代測序的依賴，我們也希望在不久的將來迎來更多高質(zhì)量腸道微生物基因組，并將IMGG和其它大規(guī)模的高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)庫進(jìn)行整合，創(chuàng)建統(tǒng)一的“白金”基因組數(shù)據(jù)庫，早日揭開這些微生物“暗物質(zhì)”的神秘面紗。該研究于2023年1月6日發(fā)表在JCR 1區(qū)期刊Nature Microbiology（IF=30.964）。第一作者：在站博士后靳昊、博士研究生全柯諭、助理研究員何秋雯
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