宏基因组学及其技术的研究进展

第２９卷第６期２００８年１２月西安交通大学学报（医学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ）Ｖ０１．２９ＮＯ．６Ｄｅｃ．２００８◇专家述评◇宏基因组学及其技术的研究进展楚雍烈，杨娥（西安交通大学医学院免疫与病原生物系，陕西西安７１００６１）摘要：宏基因组学是研究生态群体基因功能和其相互作用的新科学领域，以特定生态环境中微小生物遗传物质的总和作为研究对象，基本研究策略是通过克隆、异源表达，筛选出有用的新基因及其产物。

宏基因组学为生命学科和药学研究提供了一个强有力的新技术，并在包括医学在内的许多领域取得了新成就。

本述评对宏基因组学的概念、技术和应用作了简要介绍。

关键词：宏基因组学；宏基因组文库构建｝文库筛选中图分类号：Ｑ７８５文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—８２５９（２００８）０６一０６０１一０８ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓａｎｄｉｔｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｈｕＹｏｎｇｌｉｅ，ＹａｎｇＥ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＩｍｍｕｎｏｌｏｇｙａｎｄＰａｔｈｏｇｅｎＢｉｏｌｏｇｙ，ＭｅｄｉｃａｌＳｃｈｏｏｌｏｆＸｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｘｉ’ａｎ７１００６１，Ｃｈｉｎａ）ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓｉｓｎｅｗｆｉｅｌｄｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｔｕｄｙｇｅｎｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｅｃｏｔｙｐｅｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ．ＭｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｂａｓｅｄｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅＤＮＡｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓｉｎｔｈｅｉｒｎａｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｄｉｒｅｃｔｌｙ．ＩｔｓｂａｓｉｃｓｔｒａｔｅｇｙｉｎｃｌｕｄｅｓｅｘｔｒａｃｔｉｎｇｔｏｔａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｙＤＮＡ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｇｅｎｏｍｉｃｌｉｂｒａｒｙ，ａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｌｉｂｒａｒｙｗｉｔｈｓｉｍｉｌａｒｓｔｒａｔｅｇｙｔｏｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｇｅｎｏｍｉｃｓ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｐｏｗｅｒｆｕｌｔｏｏｌｔｏｈｅｌｐｔｏｅｘｐｌｏｉｔｆｏｒｎｏｖｅｌｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓｈａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｒａｐｉｄｌｙａｎｄａｃｑｕｉｒｅｄｍａｎｙｎｏｖｅｌａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｍｅｎｔｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｉｎｍｅｄｉｃｉｎｅ．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔ，ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓｈａｖｅｂｅｅｎｂｒｉｅｆｌｙｒｅｖｉｅｗｅｄ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｍｅｔａｇｅｎｏｍｅ；ｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓ；ｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｌｉｂｒａｒｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｌｉｂｒａｒｙｓｃｒｅｅｎｉｎｇ随着人类科学认识论和思维方式的深化，在分子生物学和分子遗传学技术方法的支撑下，顺应２１世纪生命科学的发展，在基因组学的基础上诞生了一门崭新的交叉学科——宏基因组学（ｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓ）［１］。

宏基因组学的问世引起世界科学界的极大关注，发展很快，它代表了生命学科今后的研究方向。

本文就宏基因组学的产生、概念、研究的基本策略和方法进行综述。

ｌ宏基因组学的产生、发展和概念１．１宏基因组学的产生背景人类基因组计划（ｈｕ—ｍａｎｇｅｎｏｍｅｐｒｏｊｅｃｔ，ＨＧＰ）的完成促使了基因组功能性研究计划的开展，并推动从结构基因组学研究时代进入功能性基因组研究为主的后基因组时代，人体基因的功能研究成为生命科学领域的研究热点。

收稿日期：２００８—０９—１６修回日期：２００８—１１—１０作者简介：楚雍烈（１９４４一）·男（汉族），教授，博士生导师．研究方向：肿瘤病毒分子遗传学与免疫生物学．Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｂｉｏｌｏｇｙ＠ｍａｉｌ．ｘｉｔｕ．ｅｄｕ．ｃｒｌ但是越来越多的研究表明，人体的生理代谢和生长发育不仅受自身基因控制，还与其他生物基因组相关；对疾病的易感性、药物反应等许多现象，也无法全部用人体基因差异来解释。

已证明体内菌群的组成和活动与人的生长发育、生老病死息息相关，例如人·类胃溃疡发病机制和病因与寄生在胃里的微生物的致病作用有关。

因此，必须考虑与人类长期共生的微生物群体对人类的影响。

此外，自然界现存的物种数量以万亿计，包括人类、大量的高等动物、植物和微生物。

世界上的万物是彼此依赖、相互作用、相互制约和相互促进，形成共生、共存和协调平衡发展的欣欣向荣局面。

要想了解生命的起源、本质、进化和相互作用及影响，就必须对彼此密切相关的生物进行各个基因组学及其相互关系的研究。

这种研究超越了传统意义上单一物种的基因组学分析，研究对象复杂、范围更广而方法要更新，它要求在基因学、基因组学的基础上有新的学科来承担这一新的任务。

因此，２１世纪人类提出了生态基因组学万方数据６０２西安交通大学学报（医学版）第２９卷（ｅｃｏｇｅｎｏｍｉｃｓ）的概念［３］。

它要求对特定环境下多种生物的基因组进行研究，这将有助于揭示生命现象的本质，发现新的基因和确定人类疾病的病因。

１．２宏基因组学的发展与概念宏基因组学的发展经历了环境基因组学、微生物基因组学、宏基因组学到人类宏基因组学的阶段。

１．２．１环境基因组学的提出与发展１９９１年Ｐａｃｅ首次提出环境基因组学（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｇｅｎｏｍｉｃｓ）的概念，并在同年构建了第一个通过克隆环境样品中ＤＮＡ的噬菌体文库，环境基因组学（亦称微生物环境基因组学）的研究受到广泛关注降引。

１９９８年美国国立环境卫生科学研究所启动了环境基因组计划（ｅｎ－ｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｇｅｎｏｍｅｐｒｏｊｅｃｔ，ＥＧＰ），开展有关人体遗传变异与环境胁迫相互关系的研究，引起各国科学家的极大关注，标志着生命科学界将在更深层次上对环境与基因相互作用对人类健康的影响进行系统全面的研究［３。

４］。

环境基因组学第一次提出特定生态条件下，全部生物基因组总体概念，这是基因组学的重要进展。

１．２．２微生物基因组学与宏基因组学概念的提出环境是一个相互作用的复杂体系，又是一个不断变化的动态过程，该体系的生命与非生命的两个方面是不断互为因果，相辅相承的。

为了方便研究，人类把精力集中到特定环境的微生物群体上来。

Ｈａｎｄｅｌｓｍａｎ等［１３于１９９８年提出生命研究对象应是生物环境中全部微小生物的基因组（ｔｈｅｇｅｎｏｍｅｓｏｆｔｈｅｔｏｔａｌｍｉｃｒｏｂｉｏｔａｆｏｕｎｄｉｎｎａｔｕｒｅ），首次提出针对特定环境样品中细菌和真菌的基因组总和进行研究的这一宏基因组（ｍｅｔａｇｅｎｏｍｅ）概念，指出应用宏基因组学研究微生物复杂群落基因组的方法将成为快速发展的领域。

２００７年３月，美国国家科学院以“环境基因组学新科学——揭示微生物世界的奥秘”为题发表咨询报告，指出宏基因组学为探索微生物世界的奥秘提供新的方法，这是继发明显微镜以来研究微生物方法的最重要进展，将是对微生物世界认识的革命性突破。

报告呼吁建立全球宏基因组学研究计划，建议大批量启动中小型宏基因组学研究项目，对自然环境微生物群落（如海水或土壤）、寄生微生物群落（如人体肠胃或口腔）、人为控制环境微生物群落（如污水处理厂或水产养殖厂）等展开研究；启动少量大型综合性项目，对宏基因组学研究方法、技术路线、理论框架和更为复杂的动态微生物系统进行研究‘ｓ１。

１．３宏基因组学的概念宏基因组（ｍｅｔａｇｅｎｏｍｅ）和宏基因组学（ｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓ）的概念尚待统一，其中的“宏”所对应的英文是前缀“ｍｅｔａ－”，它源于希腊语，作为构词成分意思是超越（ｏｖｅｒｒａｃｈ）、在上（ａｂｏｖｅ）、在外（ｂｅｙｏｎｄ）、在后（ｂｅｈｉｎｄ）等，它具有更高层次组织结构和动态变化的含义，在ｍｅｔａｇｅｎｏｍｅ中有更高级、更复杂的意思。

国内一般翻译为“宏”或“元”，形象表明其涵盖范围的广泛性。

本文采用较为普遍的宏基因组／宏基因组学译法（注：国外有人还称为Ｅｃｏｇｅｎｏｍｅ／Ｅｃｏｇｅｎｏｍｉｅｓ，译为生态基因组／生态基因组学）。

１．３．１广义宏基因组学的概念广义宏基因组是指特定环境下所有生物遗传物质的总和，它决定了生物群体的生命现象。

它是以生态环境中全部ＤＮＡ作为研究对象，通过克隆、异源表达来筛选有用基因及其产物，研究其功能和彼此之间的关系和相互作用，并揭示其规律的一门科学。

宏基因组学使得人们摆脱了物种界限，揭示了更高层次上的生命运动规律。

１．３．２狭义宏基因组学概念狭义宏基因组学则以生态环境中全部细菌和真菌基因组ＤＮＡ作为研究对象，它不是采用传统的培养微生物的基因组，包含了可培养和还不能培养的微生物的基因，通过克隆、异源表达来筛选有用基因及其产物，研究其功能和彼此之间的关系和相互作用，并揭示其规律。

如１９９８年Ｈａｎｄｅｌｓｍａｎ等提出土壤宏基因组学的定义是：土壤微生物群体的全部基因组，并对其进行克隆和功能分析‘１·８１。

由于狭义宏基因组学概念的对象具体、范围局限和研究目标明确，一般文献上所提的宏基因组学，除非特别指明，一般均指的是狭义宏基因组学。

１．３．３人类宏基因组学人体内部或体表有数以万亿的微生物个体存活，包括细菌、古细菌、真菌、寄生虫和病毒等。

这些微生物占人体总重量的１％一２％，成人体内细胞约有９０％为微生物细胞，其余约１０％为人体细胞，因此从某种意义上说一个完整、健康的成年人是诸多物种组成的复合体。

人体内共生的菌群包括肠道、口腔、呼吸道、生殖道等处菌群。

其中许多微生物对人体健康维持有重要作用，帮助消化食物，制造维生素。

大多微生物具有许多独特的生物功能，如有些微生物具有独特功能的一些酶，对各种复杂有机化合物有降解作用，有些微生物可以在一些极端环境下生存等等。

同时，还有一些微生物则可能导致人体疾病。

然而，目前对健康和疾病状态下这些细菌、真菌和其他微生物的作用还知之甚少。

国际学术界把多种微生物聚居在一起形成的系统叫做“微生物群落”，也称菌群。

把人体内所有微生物菌群基因万方数据６期楚雍烈，杨娥．宏基因组学及其技术的研究进展６０３组的总和称为“人体宏基因组”（ｈｕｍａｎｍｅｔａｇｅ—ｎｏｍｅ）。

人类宏基因组学（ｈｕｍａｎｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓ）则是研究人体宏基因组结构和功能、相互之间关系、作用规律和与疾病关系的学科。

它不仅要把总体基因组序列信息都测定出来，而且还要研究与人体发育和健康有关的基因功能。

２００４年，美国国立卫生研究院专门设立“利用宏基因组学研究口腔微生物”的研究项目，２００６年春季召开会议，正式成立人类宏基因组计划国际联盟，启动人类宏基因组计划，作为协调这一宏大科学计划的国际组织［３’８］。