宏基因组学
宏基因组学
遇到的问题
样品的提取方法还有待改进，生物信息分析依赖于样品的复杂度。
谢谢观看
起源
宏基因组 学这一概念最早是在1998年由威斯康辛大学植物病理学部门的Jo Handelsman等提出的，是源于 将来自环境中基因集可以在某种程度上当成一个单个基因组研究分析的想法，而宏的英文是“meta-”，具有更 高层组织结构和动态变化的含义。后来伯克利分校的研究人员Kevin Chen和Lior Pachter将宏基因组定义为 “应用现代基因组学的技术直接研究自然状态下的微生物的有机群落，而不需要在实验室中分离单一的菌株”的 科学。
应用
采用宏基因组技术及基因组测序等手段，来发现难培养或不可培养微生物中的天然产物以及处于“沉默”状 态的天然产物。宏基因组不依赖于微生物的分离与培养，因而减少了由此带来的瓶颈问题。
随着新一代测序技术的迅猛发展，研究宏基因组的方法也已经发生了翻天覆地的变化：传统的方法是测定微 生物基因组上的16S rRNA基因，这些基因的长度通常在1500个碱基左右，广泛分布于原核生物，既能提供足够的 信息，而且具有相对缓慢的进化过程；其保守性与特异性并存，通过保守区和特异区来区别微生物的种属。基于 这些特性，科学家们通过选择这些基因区域，方便地研究环境中物种的组成多样性，但是还不能全面分析环境中 的基因功能。新一代高通量低成本测序技术的广泛应用，科学家们可以对环境中的全基因组进行测序，在获得海 量的数据后，全面地分析微生物群落结构以及基因功能组成等。
研究对象
宏基因组学研究的对象是特定环境中的总DNA，不是某特定的微生物或其细胞中的总DNA，不需要对微生物进 行分离培养和纯化，这对我们认识和利用95%以上的未培养微生物提供了一条新的途径。已有研究表明，利用宏 基因组学对人体口腔微生物区系进行研究，发现了50多种新的细菌，这些未培养细菌很可能与口腔疾病有关。此 外，在土壤、海洋和一些极端环境中也发现了许多新的微生物种群和新的基因或基因簇，通过克隆和筛选，获得 了新的生理活性物质，包括抗生素、酶以及新的药物等。
宏基因组学
广义的宏基因组：特定环境下所有生物遗传物质的总和 狭义的宏基因组：特定环境样品中细菌和真菌的基因组总和
宏基因组测序（Metagenomics Next Generation Sequencing,mNGS)
NGS:也称高通量测序，是一种可以同时对数十万到数百万条DNA分子序列进行读取的测序技术。 mNGS:m指宏基因组。mNGS指宏基因组二代测序，以特定环境中整个微生物群落作为研究对象，利 用高通量测序平台进行基因组DNA测序，DNA不需要进行PCR扩增，测序结果具有较好的无偏性， 不仅可以提示微生物群落的物种组成，更能获需段序列分析不依赖 于任何已知序列信息进行筛选。其中以功能筛选法最为常用。
能够直接发现全新的活性物质和功能编码基因，能够快速鉴别有开发潜力的克隆子 缺陷：
工作量大,效率低，并且受检测手段有效性和灵敏性等限制。
谢谢！请大家批评指正
其前端关键性技术是环境DNA(e DNA)的提取A的提取
直接提取法（原位提取法） 不经过样品中微生物的培养和分离，通过化学法、酶解法或物理法直接破碎环境中的微生物细胞而使DNA得以释 放，并对DNA进行纯化。 操作简便、省时、成本低，所获得DNA具有较好的完整性，并能够代表某一生境的微生物群落多样性。 但常会出现细胞裂解不完全或DNA与土壤杂质成分产生共沉淀而无法有效地去除等问题，所以一般需要进一步的 DNA纯化处理，同时所提取获得的DNA片段较用离心介质或者梯度离心等方法先把微生物从环境样品中分离出来，再按处理纯培养细胞的方法裂解微生物 细胞提取DNA。 该法获得的宏基因组DNA受到胞外杂质污染干扰较少，纯度较高、DNA完整性好(20kb~大、DNA得率较低，其产率只是直接裂解法的1%~10%,且获得的DNA往 往不能完全代表样品所在生境的生态学多样性。
宏基因组学的PPT
宏基因组学的PPT宏基因组学是通过收集宿主的粪便里的微生物、以及培养皿中的微生物，利用专业的宏基因组技术进行分析。
它能够获得宏基因组信息和相关序列，从而为疾病相关症状的诊断和治疗提供依据。
随着人类健康问题愈演愈烈，为了降低成本，并能通过生物技术进行治疗，研究人员开发了宏基因组学技术。
其通过收集环境中存在的特定细菌，来分析它们在土壤、水源或大气中的分布，以了解它们在整个生态系统中所扮演的角色。
宏基因组学（宏测序法）是一种对人体和环境进行科学评价（包括微生物菌群与疾病之间关系）的工具。
它是一种高通量方法来鉴定微生物群落或疾病（包括寄生虫病等),并用于进行疾病和环境健康状态跟踪和诊断。
虽然宏基因组学可以通过分析病原体来诊断疾病——但目前还没有针对特定微生物群落或某一种病原体开展研究。
1.目的宏基因组学通过收集宿主的粪便和排泄物，以及在培养皿或土壤中的特定微生物群落来检测微生物菌群。
它们在宿主的整个生命周期中都是重要的，并且是许多宿主健康相关问题发生和治疗的潜在因素之一。
通过对宿主宏基因组学数据进行统计分析，可以更好地了解宿主微生物多样性与环境健康状况之间的关系；进而有助于了解宿主肠道微生物及其他微生物群落对人体健康所发挥作用；同时也有助于了解特定微生物群落与其健康状况之间的关系。
此外，还可以通过研究宿主体内微生物种群之间互相作用机制，从而更好地理解宿主微生物群落结构及疾病发生背后原因。
这为人类健康提供了新的见解。
在环境方面，宏基因组学可以从宿主微生物群落中发现与生态系统结构相关、通过检测宿主体内微生物群落来揭示生命现象本质和机制；还可以通过感染或死亡微生物群落以及与宿主相互交互作用规律来揭示微生物群落与疾病发生之间关系：同时宏基因组学还可以为相关研究人员提供研究资源、为治疗提供科学依据。
此外，宏基因组学还能为环境健康状态跟踪和诊断提供参考——为了解环境健康状态和健康风险提供科学依据。
2.方法原理在了解宿主肠道中的微生物群落的组成之后，宏基因组学可以分析宿主的粪便样本。
宏基因组rc
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宏基因组学是研究直接从环境或临床样本中回收遗传物质的研究领域，也被称作环境基因组学、生态基因组学、群落基因组学或微生物组学。
宏基因组研究本质上还是微生物学研究，只是传统微生物学研究的一个扩展。
所以研究目的与其他生物学研究类似，同样是关注基因型、表型与环境之间的相互关系以及相互作用，不过微生物与环境之间有更强的相互作用关系。
具体来说，宏基因组学的研究目的包括：
1. 定性分析：确定样品中包含哪些微生物，如原核生物、真菌、病毒、显微藻类、原生动物等。
2. 定量分析：分析不同微生物之间的丰度，即样品中每种微生物所占的比例，并探索这些比例变化与表型之间的关联。
3. 功能分析：检测样品中包含哪些基因，以及这些基因实现哪些代谢功能。
将整个样品当做一个基因集合，对这些基因的功能和代谢进行分析。
4. 比较分析：研究不同样品之间的差异，包括它们包含的微生物种类、基因和代谢功能等方面的差异。
以上信息仅供参考，如果您想了解更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
宏基因组学研究进展
宏基因组学研究进展在生物学领域，宏基因组学作为一门新兴的前沿学科，为我们揭示了大量未知的生物世界奥秘。
本文将通过介绍宏基因组学的基本概念、研究现状、研究方法、研究成果及其局限性，带领大家全面了解宏基因组学的研究进展。
宏基因组学是一门研究存在于生物群落中的基因及其多样性的学科。
它通过运用高通量测序、生物信息学和系统生物学等技术手段，对整个生态系统中的微生物基因组进行深入研究，旨在揭示微生物群落中隐藏的生物多样性和生态功能。
随着16S rRNA基因测序技术的发展，宏基因组学研究取得了突破性进展。
尤其是近几年，宏基因组学研究在环境微生物多样性、病原菌感染机制以及生物医药等领域表现出巨大的应用前景。
发展趋势表明，宏基因组学将进一步推动生命科学领域的发展，为人类解决一系列生态和健康问题提供有力支持。
在宏基因组学研究中，实验设计、数据分析和模型构建等方面都至关重要。
实验设计需要考虑样品的采集、处理和文库构建等环节；数据分析则需借助一系列生物信息学技术和算法，对海量数据进行有效挖掘和精准解析；模型构建则需要以数据为基础，构建能准确描述微生物群落结构和功能的数学模型。
宏基因组学研究已经取得了一系列令人瞩目的成果。
例如，通过研究海洋微生物群落，科学家发现了许多新的微生物种类和基因，揭示了海洋生态系统的运行机制；同时，宏基因组学研究还在病原菌感染、生物医药等领域表现出极大的应用潜力，为解决一些重大疾病提供了新的思路和方法。
这些成果不仅丰富了我们对生物世界多样性的认识，也为我们提供了大量宝贵的生物资源。
然而，尽管宏基因组学研究已经取得了显著的成果，但仍存在一定的局限性。
例如，采样过程中可能会受到污染，导致结果出现偏差；另外，数据分析过程中可能存在技术难点，如噪声数据的处理、稀有物种的检测等。
此外，宏基因组学研究还面临着理论和方法上的挑战，例如如何构建更为精准的微生物群落模型，如何将宏基因组学研究成果应用于实践等等。
总之，宏基因组学作为一门新兴的生物学分支，为我们揭示了大量未知的生物世界奥秘。
宏基因组及其应用
宏基因组及其应用学习笔记吕涛15010906一、宏基因组及宏基因组学1.概念宏基因组( Metagenome)（也称微生物环境基因组Microbial EnvironmentalGenome, 或元基因组）是由Handelsman 等1998 年提出的新名词，其定义为“the genomes of the total microbiota found in nature” , 即环境中全部微小生物遗传物质的总和。
它包含了可培养的和未可培养的微生物的基因，目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。
2.宏基因组学宏基因组( Metagenome)（也称微生物环境基因组Microbial EnvironmentalGenome, 或元基因组）是由Handelsman 等1998 年提出的新名词，其定义为“the genomes of the total microbiota found in nature” , 即环境中全部微小生物遗传物质的总和。
它包含了可培养的和未可培养的微生物的基因，目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。
3.发展历程环境基因组学——微生物基因组学——宏基因组学——人类基因组学人类基因组学：把人体内所有微生物菌群基因组的总和称为“人体宏基因组”(humanmetagenome)。
人类宏基因组学(human metagenomics)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。
人类宏基因组计划目标是：把人体内共生菌群的基因组序列信息都测定出来，而且要研究与人体发育和健康有关的基因功能。
4.研究步骤5.研究方法二、宏基因组学的应用1.水体宏基因组学●海表层水样为研究海洋生命的代谢潜力和海洋生态学提供了前所未有的原始素材；海洋蕴藏着巨大的生物多样性和复杂性，宏基因组学将极大地促进人们对他的认识。
宏基因组学方法在疾病诊断与治疗中的应用
宏基因组学方法在疾病诊断与治疗中的应用随着科学技术的不断进步，宏基因组学方法在疾病诊断与治疗中的应用逐渐受到重视。
宏基因组学是对裙体基因组的研究，是一门关注微生物生态系统中所有微生物共同基因组的学科。
它不仅可以揭示微生物在疾病中的作用，还可以帮助科学家了解微生物的多样性和其在生态系统中的角色。
在疾病的诊断和治疗中，宏基因组学方法的应用可以为患者提供更准确、个性化的治疗方案，促进疾病的早期诊断和治疗。
一、宏基因组学在疾病诊断中的应用1. 早期癌症的检测宏基因组学方法可以通过分析肠道微生物组的变化来识别早期癌症。
研究表明，肠道微生物组的变化与肠癌的发生密切相关。
通过对肠道微生物组进行测序和分析，科学家可以发现不同癌症阶段患者的微生物组差异，从而帮助医生及早发现患者的癌症病情。
2. 传染病的检测与溯源宏基因组学方法可以用于对疾病的传播和溯源进行研究。
通过对不同环境中微生物组的测序分析，科学家可以追踪病原微生物的来源和传播路径，为预防和控制传染性疾病提供重要依据。
3. 精准医学的发展宏基因组学方法可以为精准医学提供基础支持。
通过对个体微生物组的测序和分析，可以为患者提供更加个性化、针对性的治疗方案。
这种个性化治疗可以快速准确地找到适合患者的药物和治疗方法，减少治疗的副作用，提高治疗效果。
二、宏基因组学在疾病治疗中的应用1. 微生物组移植疗法宏基因组学方法可以在治疗胃肠道疾病和免疫性疾病中发挥重要作用。
微生物组移植疗法是将健康人的微生物组移植到患者体内，以恢复其肠道微生态平衡，缓解疾病症状。
宏基因组学方法可以通过分析患者和供体的微生物组差异，选择最适合的供体进行微生物组移植，提高微生物组移植疗法的成功率。
2. 新型抗生素的开发宏基因组学方法可以通过分析环境中的微生物组来寻找新型抗生素。
随着抗生素耐药性的日益严重，寻找新型抗生素成为当前医学领域的紧迫任务。
宏基因组学方法可以挖掘微生物组中的潜在抗生素产生菌株，从而帮助开发新型抗生素，为抗生素开发提供新的思路和方法。
宏基因组学的研究现状和发展趋势
宏基因组学的研究现状和发展趋势一、本文概述宏基因组学，作为一个综合性的生物学研究领域，近年来在科研界引起了广泛的关注。
它利用高通量测序技术，对环境中所有微生物的遗传物质进行研究，从而深入探索微生物群落的组成、功能以及它们与环境的相互作用。
本文旨在概述宏基因组学的研究现状，包括其在不同生态环境中的应用、关键技术的进展以及面临的挑战；还将探讨宏基因组学未来的发展趋势，如数据分析和解释方法的改进、新技术的应用以及其在生物技术、医学和环境保护等领域的潜在价值。
通过对宏基因组学的研究现状和发展趋势的全面分析，我们期望能够为读者提供一个清晰而深入的理解，以推动该领域的持续发展和创新。
二、宏基因组学的研究现状宏基因组学作为一门新兴交叉学科，近年来取得了显著的研究进展。
其研究现状主要体现在以下几个方面：技术方法的不断革新：随着高通量测序技术的飞速发展，宏基因组学在样本准备、测序深度和数据分析等方面均取得了显著突破。
比如，新一代测序技术（Next-Generation Sequencing, NGS）使得科研人员能够更快速、准确地获取大量微生物群落的遗传信息。
微生物群落多样性的深入探索：宏基因组学研究已经从最初的描述性分析转向对微生物群落功能的深入研究。
通过对不同环境样本中微生物群落的宏基因组测序，科研人员能够更全面地了解微生物群落的组成、结构和功能，从而揭示微生物与宿主、环境之间的相互作用关系。
疾病机制研究的拓展：宏基因组学在疾病机制研究方面发挥了重要作用。
通过对疾病样本的宏基因组分析，科研人员能够发现与疾病发生发展相关的微生物群落变化，为疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。
生态环境保护的应用：宏基因组学在生态环境保护领域也展现出了广阔的应用前景。
通过对不同生态系统中微生物群落的宏基因组研究，可以评估生态系统的健康状况，为生态环境保护提供科学依据。
然而，尽管宏基因组学取得了显著的研究进展，但仍面临诸多挑战。
例如，数据解析的复杂性、微生物群落动态变化的监测以及宏基因组学与表型之间的关联分析等。
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,已发现的新基因主要有生物催化 剂基因、 抗生素抗性基因以及编码转运蛋白基因
• 土壤宏基因组学技术最引人注目的贡献是新生物 催化剂的发现 , 包括腈水解酶和淀粉酶( Rondon et al . , 2000 )、 蛋白酶、 氧化还原酶(Knietsch et al . , 2003)、 脂肪酶、 酯酶 ( Ki m et a l . ,2004; 2006)等 ,并且在此基础上获得新酶的许 多特征信息.
• 海表层水样 为研究海洋生命的代谢潜力和海洋生态学提供
了前所未有的原始素材；海洋蕴藏着巨大的生物 多样性和复杂性 ,宏基因组学研究将大大促进人 们对它的认识。 • 极端环境水体 (如酸性矿水、 深海 )
由于其苛刻的物理化学条件,使得其中的微生 物群落也较为独特 ；利用环境基因组学对其开展 微生物生物群落结构及生理代谢对环境变化响应 的研究 ,将促进我们更好地理解这些极端环境生 态系统并对其加以调控和利用。
序列分析法
• 微序列技术 (Micr oarray)采用集约化和平面处 理原理 ,在微小片基上高密度而有序地排列大量 基因片段、 EST或寡核苷酸片段 ,从而形成 DNA 微矩阵 ,又称基因芯片。
• 焦磷酸测序技术( Pyrosequencing) 是在焦磷酸 盐测序法的基础上结合一种乳胶材料和皮升级反 应孔 ,将基因组 DNA进行随机切割 ,批量地进行 整个测序反应，能够在相同的时间内破译 6 × 106组以上的基因组序列 ,比 Sanger法要快100 倍 ,提高了测序的效率。
将一条完整的目标序列随机打断成小的片段 , 分别测序 ,然后利用计算机根据序列间的重叠关 系进行排序和重新组装, 并确定它们在基因组中 的正确位置 。
• 优点：为筛选新的天然产物提供了 一种可选择的途径, 从中挖掘上百 万个新基因,揭示不可培养微生物 的代谢途径.
• 缺点：耗费大,需大量人力和物力。 与个体微生物基因相比,对序列片段
进行分析则极为困难。
功能筛选法
• 方法一：对具有特殊功能的克隆子进行直 接检测 ；
• 方法二：基于异源基因的宿主菌株与其突 变体在选择性条件下功能互补生 长的特性进行。
功能筛选法
• 以活性测定为基依赖于功能基因或编码功能蛋白在外 源宿主中的表达 。
稳定性同位素标记技术
• 通过 SIP实验使参与特定代谢过程 (例如甲 烷氧化 )的生物基因组富集 ,克隆从 SIP实 验中获得的13C标记的核酸 ,从而构建一个 因吸收了特定的基质而在序技术
• 由4种酶催化的同一反应体系中的酶级联化学发光 反应。
• 原理：引物与模板DNA退火后，在DNA聚合酶、ATP 硫酸化酶、荧光素酶和三磷酸腺苷双磷酸酶4种酶 的协同作用下，将引物上每一个dNTP的聚合与一 次荧光信号的释放偶联起来，通过检测荧光的释 放和强度，达到实时测定DNA序列的目的。焦磷酸 测序技术的反应体系由反应底物、待测单链、测 序引物和4种酶构成。反应底物为5’-磷酰硫酸、 荧光素。
为什么要研究宏基因组学呢？
• 99%以上的微生物未 (难 )被纯培养, 对微 生物世界的认识集中在不到1%的微生物上
• 人们对微生物的认识主要基于实验室纯培 养的单一微生物物种,对微生物群落作为整 体的功能的认识远远落后于对其个体的认 识
• 环境基因组学的研究方法
以基因组学技术为依托
主要的程序包括: 1、从环境样品 (例如土壤 )中直接提取 DNA; 2、将 DNA克隆到合适的载体中; 筛 选。
序列分析法
• 需要根据已知的基因和基因表达产物的保 守序列设计引物和探针，PCR是序列分析中 最常用的技术。
• 对鉴定新的基因成员有一定的局限性 ,但 它已被有效地用于鉴定系统发育学中的标 志基因(如 16S rRNA基因 )和带有高度保 守域的酶基因(如聚酮化合物合成酶、 葡 萄糖酸还原酶和腈水合酶等 ) 。
反应过程
• 脱氧核苷酸三磷酸(dNTP)
DNA聚合酶↓（能和DNA模板的下一个碱基配对）
添加到测序引物的3’末端
↓ （释放）
焦磷酸(PPi)
ATP硫酸化酶↓加入 APS
特异的检测峰
↓
↗ （微弱光检测）
ATP→→→→氧化荧光素（产生可见光）
加入荧光素
序列分析法
• 鸟枪法测序 ( Shotgun sequencing)
• 由于环境基因组的高度复杂性 ,需要 分为4类:
第 1类基于核酸序列差异分析 (序列驱动 )；
第 2类基于克隆子的特殊代谢活性 (功能驱 动 )；
第 3类基于底物诱导基因的表达 ；
第 4类基于包括稳定性同位素和荧光原位杂 交在内的其它技术。
底物诱导基因表达法
• 代谢相关基因或酶基因往往在有底物存 在的条件下才表达 ,反之则不表达 ,SIGEX 即利用这个原理来筛选目的代谢基因。
底物诱导基因表达法
• 第—β2 D硫代半乳糖苷
( IPTG)为诱导物去除阴性克隆和绿色荧光蛋白 基因 ( gfp)表达的克隆子； • 第三步：在培养基中添加底物诱导代谢关基因的表达； • 第四步：根据 gfp基因的表达从宏基因克隆库中筛选出表 达代谢基因的克隆子 ,利用荧光激活细胞分离仪 ( FACS)从琼脂培养平板上将GFP表达的克隆子分 离出来。
• 宏基因组学
也称微生物环境基因组学, 环境基 因组学，元基因组学,生态基因组学。
环境基因组学建立在对疾病病因认识的基 础上 ,深入探讨环境胁迫 - 基因、 基因- 基 因间交互作用。其目标是研究环境胁迫对机 体遗传变异的过程和机理 ,包括发掘环境应激 和应答基因的多态性 ,探究这些多态性基因的 功能及其与患病风险的关系 ,其与毒理基因组 学密切相关 ,是在人类基因组基础上发展的功 能基因组学内容之一。
宏基因组学 研究现状和发展趋势
宏基因组学通过直接从环境 样品中 包含的全部微生物的遗传组成 及其群落功能。
宏基因组学研究已渗透到各个 领域,包括海洋、 土壤、 热液口、 热泉、 人体口腔及胃肠道等,并 在医药、 替代能源、 环境修复、 生物技术、 农业、生物防御及伦 理学等各方面显示了重要的价值。