从宏转录组技术及其研究进展 (1)

表 1 水体与土壤宏转录组研究概况
目前宏转录组学研究大部分仍集中在对海洋与
研究对象 法国西南部的松树林土壤 夏威夷海水微生物 挪威海岸边的微生物 美国东南部由潮汐形成的盐溪 北太平洋海水微生物 中性且贫瘠的沙地土壤 夏威夷海的细菌浮游微生物 酸性水域环境水气界面微生物 法国中部的山毛榉云杉林土壤 波罗的海中部的次氧化海域 智利北部太平洋南部含氧量最 低的海域
49.18％，拟杆菌门占 31.42％，变形菌门占 3.66％， 放线菌门占 0.4％。同时，通过对 mRNA 特征分析 发现，这些肠道活性微生物在不同的健康人群中存 有一个统一的模式，其主要功能包括参与人体内物 质代谢，能量产生及细胞生长。Booijink 等［14］运用 cDNA-AFLP 技术对人类肠道微生物的宏转录组进行 研究，通过对两个尚未断奶的婴儿排泄物总 RNA 测 序分析，阐明肠道微生物的原位基因表达，并通过 与 COG（cluster of orthologous genes）数据库比对发 现有 26％的功能基因簇与新陈代谢有关。
2 微生物“组学”间的联系
随着后基因组时代的全面来临，宏转录组学和 宏蛋白质组学以及另外几个“组学”的研究将会更 紧密（图 1）［3］。宏基因组学提供环境总 DNA 信息， 宏转录组学提供环境总 RNA 信息，宏蛋白质组学提 供实时状况下环境功能信息，宏代谢组学提供环境
代谢产物的总体信息。将这些“组学”有效地结合 起来并用于研究不同环境的微生物资源可以极大地 丰富人类对微生物的认识。
1.2 微阵列技术 自 1995 年由 Schena 等［15］首次提出微阵列技术
以来，作为一种强有力的基因技术，已逐渐被应用 于宏转录组学的研究上，特别是其中的寡核苷酸微 列阵技术，由于其特异性高，便于构建等优点，可 能成为微生物宏转录组学研究的重要方法。Weckx 等［16］运用微阵列技术对小麦自然发酵过程中整个 系统的糖类利用和氨基酸代谢情况进行了宏转录组 学研究，并通过构建寡核苷酸序列的基因表达调控 网络对宏转录组数据进行分析。
态性图谱技术，是在 AFLP（amplified fragment length polymorphism） 的 基 础 上 发 展 起 来 的 RNA 指 纹 图 谱技术，通过对 cDNA 限制性酶切片段进行选择性 扩增，获取扩增片段的基因表达信息。该技术可以 有效地分析单个样品中一些生物进程的基因表达情 况［12］，具有较高的灵敏度和特异性［13］，在没有经 过测序的情况下还可以对未知的一个基因组或多个 基因组进行研究［12］，能检测低表达基因和区别同源 基因。Booijink 等［14］运用 cDNA-AFLP 技术对人类 肠道微生物的宏转录组进行研究与分析。
Key words: Metagenomics Metatranscriptomics Microbial communities
在地球生物圈中，微生物扮演着极为重要的角 色，它们的活动影响着自然环境的营养循环，土壤 肥力，有机质的分解，以及物质与能量之间的交换［1］。 过去对微生物的研究主要采用传统纯培养技术。由 于微生物群落及其栖息环境的多样性和复杂性，通 过纯培养技术在实验室所获取的微生物仅占环境微 生物总量的 1% 左右［2］。随着后基因组学时代的到来， 微生物的研究范围又一次得到了飞速发展［3］。1997 年，Velculescu 等［4］首先提出转录组的概念，即特 定的细胞在某一功能状态下全部表达的基因总和， 代表一个基因的遗传信息和表达水平。然而，对于 组成复杂和种类繁多的不可培养微生物而言，转录 组 的 研 究 还 远 远 不 够。1998 年，Handelsman 等［5］ 首次正式提出宏基因组的概念，其最初的含义指的 是土壤微生物区系中全部遗传物质的总和。现在， 宏基因组指的是特定环境中细菌和真菌的遗传物质
·技术与方法·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
2012年第12期
宏转录组技术及其研究进展
马述 刘虎虎 田云 卢向阳
（湖南农业大学生物科学技术学院 湖南省农业生物工程研究所，长沙 410128）
摘 要 ： 宏转录组学是一门在整体水平上研究某一特定环境、特定时期群体生物全部基因组转录情况以及转录调控规律的 学科。简要概述宏转录组学的产生、研究策略及其应用情况，并对其应用前景进行展望。
分析中可以从每个数据库里发现潜在的碳水化合物 活性酶 893 个，而在宏基因组学的数据分析中，只 能从每个宏基因组 DNA 数据库中发现 103 个潜在的 碳水化合物活性酶。换言之，宏转录组技术在挖掘 新功能基因、新活性酶上的能力远远高于宏基因组 技术。 3.3 在代谢研究中的应用
Weckx 等［16］提取 4 个经自然连续发酵 10 d 的 小 麦 样 品（D12W、D13W、D12S 和 D13S） 乳 酸 菌 总 RNA，并运用乳酸菌功能基因微阵列芯片技术进 行宏转录组学研究。同时，通过运用新的运算法则 构建基因表达网络图发现发酵样品转录水平上有很 多功能序列所编码的蛋白参与糖类代谢、氨基酸代 谢等不同生理、生化反应。此外，研究发现 4 个样 品不同发酵时间基因转录水平所产生的具功能的编 码序列存有差异，对于进一步研究乳酸菌生理代谢 等活动具有重要意义。 3.4 在土壤、海洋生态环境研究中的应用
Meng 等［7］通过对牛瘤胃微生物总 mRNA 2 500 多万序列深度测序分析，与 Silva LSU 和 SSU 数据库 比对鉴定出有 400 多万 RNA 序列为非编码 RNA 序 列，占总量的 18.4％，潜在的蛋白编码序列 2 100 多万占总量的 81.6％。与 KOG 和 COG 数据库比对， 从 2 500 个序列重叠群中鉴定出 1 000 个植物细胞壁 降解酶即糖苷水解酶、糖脂酶以及多聚糖裂解酶活 性功能序列。在这些被鉴定的酶里，还包含 GH6、 GH48 和 Swollenin 等在以往的瘤胃宏基因组学研究 中很少被提及到的基因，尤其是在宏转录组的数据
Abstract: Metatranscriptomics is a new subject to study the transcription situation and regulation rules of entire genomes of colonial organism under a certain specific environment and period in the overall level. The emergence, research strategies and current applications of the Metatranscriptomic were reviewed briefly and the application prospect of it was also anticipated in this paper.
Gosalbes 等［19］运用 454 技术对 10 位健康人的 肠 道 微 生 物 群 落 cDNA 进 行 测 序， 通 过 16S rRNA 分 析 微 生 物 群 落 的 结 构 和 组 成， 发 现 厚 壁 菌 门 占
48
生物技术通报 Biotechnology Bulletin
2012年第12期
关键词 ： 宏基因组学 宏转录组学 微生物群落
Advances of Metatranscriptomics Technology
Ma Shu Liu Huhu Tian Yun Lu Xiangyang
（College of Bioscience and Biotechnology，Hunan Agricultural University，Hunan Agricultural Bioengineering Research Institute，Changsha 410128）
卢向阳 , 博士 , 教授 , 研究方向 : 生物化学与分子生物学 ; E-mail: xiangyangcn@
2012年第12期
马述等 ：宏转录组技术及其研究进展
47
中，cDNA-AFLP、微阵列和焦磷酸测序是较为常见 的研究策略，下面就几种研究技术作简要的介绍。
1.1 cDNA-AFLP技术 cDNA-AFLP 技术，即 cDNA 扩增性片段长度多
ᗞ⭏⢙࣏㜭⹄ウ
DNA
RNA
㳻ⲭ䍘
ԓ䉒ӗ⢙
ᆿสഐ 㓴ᆖ
ᆿ䖜ᖅ 㓴ᆖ
ᆿ㳻ⲭ 䍘㓴ᆖ
ᆿԓ䉒 㓴ᆖ
ᗞ⭏⢙▌࣋⹄ウ
ᗞ⭏⢙⍫ᙗ⹄ウຫໍສະໝຸດ 图 1 微生物“组学”之间的联系及研究示意图
3 宏转录组学的应用
3.1 在共生体系研究中的应用 Stewart 等［17］运用焦磷酸测序技术对沿海双壳
软颚芒哈与其体内的硫杆共生菌总 RNA 约 160 万个 序列（500 Mbp）进行测序，经 NCBI BLASTx 比对 发现仅有 43 735 个基因与细菌所编码的蛋白具有同 源性，这些基因在分类学上属不同种的氧化硫菌纲， 进而揭示其他硫菌纲共生体与紫色硫菌属之间的联 系。另外，作者发现 28 个新基因参与硫能量代谢机 制（异化亚硫酸盐氧化还原途径，APS 途径和 SOX 途径），指出与共生体硫能量代谢机制相关的序列仅 占细菌 mRNA 总量的 7%。研究进一步表明硫杆菌 共生体在海洋还原生态系统中对硫的转录起着关键 性的作用。Tartar 等［18］在对白蚁与其肠道内的共生 菌进行宏转录组学的分析列进行测序分析，挖掘出 6 555 个具有功能的 转录子，其中包含 171 个具有编码木质纤维素酶活 性的转录子。通过序列分析发现白蚁体内半纤维素 的消化由肠道内的共生菌完成，而纤维素的消化却 是由白蚁与其共生菌协同完成。 3.2 在肠道微生物研究中的应用
的总和。宏转录组兴起于宏基因组之后，从整体水 平上研究某一特定环境，特定时期群体生命全部基 因组转录情况以及转录调控规律，它以生态环境中 的全部 RNA 为研究对象，避开未培养微生物的分离 培养问题，能有效地扩展微生物资源的利用空间。 2006 年，Leininger 等［6］ 首 次 使 用 454 测 序 技 术 对 一个复杂微生物群落的宏转录组进行研究。与宏基 因组学相比较，宏转录组学能从转录水平研究复杂 微生物群落变化，能更好地挖掘潜在的新基因［7］。