微生物组研究——怎样将样本物尽其用？

以Science这篇文章为例：

标题：Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites.

辐射幸存者的多组学分析确定辐射防护微生物和代谢物

微生物研究样本和技术：小鼠/白血病病人粪便、（16S）微生物多样性测序

研究思路：

相关研究结果：

1、肠道微生物群作为宿主抵御辐射的主要调节因子发挥关键作用；

2、毛螺菌科和肠球菌科，对辐射防护有重要作用。

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参考文献：Guo H, Chou WC, Lai Y, Liang K, Tam JW, Brickey WJ, Chen L, Montgomery ND, Li X, Bohannon LM, Sung AD, Chao NJ, Peled JU, Gomes ALC, van den Brink MRM, French MJ, Macintyre AN, Sempowski GD, Tan X, Sartor RB, Lu K, Ting JPY. Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites. Science. 2020 Oct 30;370(6516):eaay9097. 

doi: 10.1126/science.aay9097.

再看一篇文献：

发表杂志：Nature Microbiology

标题：Gut microbiome structure and metabolic activity in inflammatory bowel disease

炎症性肠病的肠道微生物组结构和代谢活性

微生物研究样本和技术：克罗恩病（CD）/溃疡性结肠炎（UC）/非炎症性肠病（non-IBD）病人粪便、二代宏基因组测序

研究思路：

相关研究结果：

图片说明：a–e，在IBD中差异丰富的宏基因组贡献酶的例子，由其分类贡献者注释（a–c在IBD中富集；d和e缺失）

相关研究结论：

1. 宏基因组图谱中差异丰富的物种和功能反映了IBD肠道对氧化应激的适应，并且与之前的研究结果单独一致。

2. 基于代谢组和宏基因组的IBD状态分类是高度准确的，并且与绝大多数个体趋势一样，可很好地推广到独立验证队列中。因此，我们的发现提高了对IBD中微生物组-代谢组界面扰动的理解，包括识别许多潜在的诊断和治疗靶点。

参考文献：Franzosa EA, Sirota-Madi A, Avila-Pacheco J, Fornelos N, Haiser HJ, Reinker S, Vatanen T, Hall AB, Mallick H, McIver LJ, Sauk JS, Wilson RG, Stevens BW, Scott JM, Pierce K, Deik AA, Bullock K, Imhann F, Porter JA, Zhernakova A, Fu J, Weersma RK, Wijmenga C, Clish CB, Vlamakis H, Huttenhower C, Xavier RJ. Gut microbiome structure and metabolic activity in inflammatory bowel disease. Nat Microbiol. 2019 Feb;4(2):293-305. 

doi: 10.1038/s41564-018-0306-4. Epub 2018 Dec 10. Erratum in: Nat Microbiol. 2019 May;4(5):898. PMID: 30531976; PMCID: PMC6342642.

微生物单细胞基因组：

发表杂志：Science

标题：High-throughput, single-microbe genomics with strain resolution, applied to a human gut microbiome.

微生物研究样本和技术：人粪便、微生物单细胞基因组

研究结果：

1、精确解析菌株水平基因组，发现全新菌株

图片说明：普通拟杆菌的菌株水平基因组解析

·获得的2个菌株基因组（见图1，菌株A和菌株C）和分离培养得到的基因组一致。

·鉴定到未能培养的全新菌株B，并获得高质量基因组。

2、在菌株水平分析水平基因转移事件

图片说明：在细菌菌株之间进行HGT分析

·构建肠道微生物群中菌株的水平基因转移（HGT）网络

·发现水平基因转移事件主要发生在同一细菌门的菌株之间。

3、可在菌株水平分析宿主-噬菌体关联信息

图片说明：宿主噬菌体于菌株特异性关联分析

·发现普通拟杆菌是噬菌体crAssphage的体内宿主物种

·在菌株水平发现普通拟杆菌菌株A与噬菌体crAssphage存在显著关联。

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参考文献：Zheng W, Zhao S, Yin Y, Zhang H, Needham DM, Evans ED, Dai CL, Lu PJ, Alm EJ, Weitz DA. High-throughput, single-microbe genomics with strain resolution, applied to a human gut microbiome. Science. 2022 Jun 3;376(6597):eabm1483.

doi: 10.1126/science.abm1483. Epub 2022 Jun 3. PMID: 35653470.

微生物单细胞转录组：

发表杂志：Cell

标题：Bacterial droplet-based single-cell RNA-seq reveals antibiotic-associated heterogeneous cellular states

研究结果：

1.揭示一种由可移动遗传元件表达驱动的罕见细菌细胞状态

2.揭示抗生素扰动引起的不同细胞状态

3.确定与抗生素耐药性或持久性出现相关的细胞状态

参考文献：Ma P, Amemiya HM, He LL, Gandhi SJ, Nicol R, Bhattacharyya RP, Smillie CS, Hung DT. Bacterial droplet-based single-cell RNA-seq reveals antibiotic-associated heterogeneous cellular states. Cell. 2023 Feb 16;186(4):877-891.e14. doi: 10.1016/j.cell.2023.01.002. Epub 2023 Jan 27. PMID: 36708705; PMCID: PMC10014032.

【彩蛋环节】

如果我有粪便样本，但是已经在冰箱里保存了二十年……

那推荐使用专为疑难样本而生的2bRAD-M测序技术。

技术简介：

2bRAD-M技术通过IIB型限制性内切酶对微生物基因组酶切后获得的唯一标签（unique tag)进行微生物定性和相对定量分析。其技术文章“Species-resolved sequencing of low-biomass or degraded microbiomes using 2bRAD-M”由中国科学院青岛生物能源与过程研究所、中国海洋大学和欧易生物联合研发、共同署名，于2022年1月26日发表在Genome Biology（IF：17.906）杂志。

图片说明：2bRAD-M原理示意图

适用样本：

高宿主污染样本（如肿瘤组织、血液、肺泡灌洗液等）

·严重降解样本（如FFPE样本）

·低生物量样本（如各类拭子；皮肤、眼表、口腔等；各类体液：脑脊液、唾液、尿液等）

·粪便等常规样本

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参考文献：Sun Z, Huang S, Zhu P, Tzehau L, Zhao H, Lv J, Zhang R, Zhou L, Niu Q, Wang X, Zhang M, Jing G, Bao Z, Liu J, Wang S, Xu J. Species-resolved sequencing of low-biomass or degraded microbiomes using 2bRAD-M. Genome Biol. 2022 Jan 26;23(1):36.