各位老師好，首先感謝熱心腸研究院的邀請，我叫賀子龍，來自于北京航空航天大學醫(yī)學科學與工程學院，我今天演講的題目是《基于泛基因組框架的人體微生物菌群結構解析》。
我將結合既往的一些研究工作，與各位老師共同探討人體微生物菌群的研究思路。
近些年來微生物組學研究火熱，特別是腸道微生物組學。
目前已有諸多報道證實腸道菌群與疾病，如癌癥、心血管病、精神疾病有很多聯(lián)系，腸道也被認為是人體最大的免疫器官。
除腸道外，人體其他部位如口腔、皮膚、肺部等也存在微生物菌群。相關研究相繼展開，國內外也相繼啟動了大型的人體微生物組學研究。
我們的團隊主要基于生物信息學方法研究人體微生物組學，主要的研究方向有兩個：
一是，基于宏基因組等多組學方式研究人體微生物與疾病之間的聯(lián)系；
二是，基于單菌株的比較基因組、泛基因組的人體病原微生物檢測，主要依托于二代測序、三代測序或兩者的結合。
多組學方式研究人體微生物與疾病關聯(lián)
基于這些技術，我們也與合作老師共同完成了一些人體微生物組學的研究，如頭皮微生物、尿路微生物、腸道微生物和肺部微生物等。
早期我們利用三代測序對臨床病原菌，如肺炎克雷伯菌的基因組進行了解析，挖掘出一些比較特殊的抗性基因，如抗金屬離子。
除此之外，我們還從人體中分離出一株特殊的病原菌。通過比較基因組學發(fā)現(xiàn)，該菌株與植物病原菌的基因簇高度相似�；谠撎崾�，我們將該菌株與植物進行侵染，研究發(fā)現(xiàn)該菌株是個可以同時感染人體和植物的特殊菌株。
在頭皮微生物方面，我們分析了中國健康人群、頭皮屑人群的微生物組成差異，重點關注了細菌和真菌的研究，并將細菌和真菌的網絡進行整合分析。
比較有意思的是，前期報道對頭皮有害的馬拉色菌，我們的研究發(fā)現(xiàn)其個別亞群對頭皮的貢獻是有益的。
在尿路微生物方面，腎結石患者往往伴隨著較嚴重的尿路感染。我們通過收集這類患者的尿液進行尿路微生物的數(shù)據(jù)測序和分析發(fā)現(xiàn)，該類患者存在兩種新的臨床亞型，而且兩個新亞型在白細胞水平上存在明顯差異。后期的深入研究還發(fā)現(xiàn)，兩個臨床亞型由不同細菌的門、菌株進行主導。
該研究為尿路感染分析提供了新的思路。
除人體微生物組方向，我們還利用16S測序對醫(yī)院環(huán)境進行監(jiān)控，研究目的為了解醫(yī)院感染與環(huán)境微生物之間的關系。
我們針對某醫(yī)院的重癥監(jiān)護室（ICU）進行了為期一年的連續(xù)取樣，取樣位置包含ICU的地面、床單、儀器以及醫(yī)生和護士的手，并將這些樣品與常規(guī)的細菌培養(yǎng)進行比較。
經研究發(fā)現(xiàn)，16S測序可以完成醫(yī)院感染的監(jiān)控，我們的分析還發(fā)現(xiàn)環(huán)境微生物的變化呈現(xiàn)出周期性態(tài)勢。這可能提示我們，醫(yī)院ICU的環(huán)境微生物可能與溫度或濕度有關。
我們開發(fā)了一些生物信息的分析流程，如腸道微生物等多組學的分析流程。該流程可以整合腸道宏基因組、代謝組等，得出菌群、代謝物以及代謝通路三者之間的關系。
與此同時，我們開發(fā)出宏基因組二代測序（mNGS）的病原微生物分析流程；利用泛基因組思路，我們開發(fā)了菌株特異的參考數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的靈敏性優(yōu)于網上的公共數(shù)據(jù)；我們也把耐藥基因檢測加入到mNGS的分析流程中。
人體微生物組學研究設想
之前的人體微生物組學研究豐富了我們經驗的同時，也引發(fā)了我們一些思考，如腸道菌群含量豐富，研究思路廣泛，研究方法多樣。但除腸道微生物之外，其他人體部位的微生物組研究主要是以感染性疾病為主，研究思路相對單一。
在此，我們提出了兩個問題：
第一，除腸道之外，人體微生物菌群是否也參與了非感染性疾病的發(fā)生與發(fā)展？
第二，部分菌種對于疾病的影響說法不一，拋去計算偏差的考量，種群內部的功能性差異是否有必要在今后的數(shù)據(jù)分析中進行考量？
總的來說，人體微生物組需華佗鎖精丸正品在哪賣要在種群和功能上進行深入研究。
利用泛基因組研究人體微生物
如何進行深入研究，特別是從生物信息學角度來講，我們認為人體微生物組學應該大力發(fā)展泛基因組研究。
相對于宏基因組，泛基因組的概念可能相對陌生。
那么什么是泛基因組學？2005年在細菌研究中首次提出的泛基因組學，是指物種內所有基因的信息總和，一般將基因分成核心基因、非必需基因。核心基因是指種群內95%菌株都含有的基因，其余稱為非核心基因。
泛基因組主要研究核心基因和非核心基因的組成，以及基因的流動。目前，泛基因組研究主要在動植物的群體研究中非�；馃帷�
泛基因組學研究，主要能為人體微生物研究帶來如下幾點收獲。
泛基因組可以描述物種內生物功能的總體情況
微生物，尤其是細菌存在很多的基因水平轉移事件，這些可移動基因可能來自于親緣關系較遠的物種。因此對于該物種，少量的基因測序很難描述物種的基因總和。在菌株達到一定數(shù)量的情況下，運用泛基因組策略可以很好地描述物種內基因的總體情況。
泛基因組可以解析物種內基因的流動性
正如前面所言，細菌中有很多基因水平轉移，其微生物的流動性較強，泛基因組可以通過核心基因、非必需基因描述物種內基因的流動性。
泛基因組可以反映微生物與宿主的互相作用
假設腸道內不同腸段，如大腸、小腸、盲腸以及糞便都含有大腸桿菌，因為這些菌群所處的微環(huán)境不同，不同大腸桿菌菌群的核心基因和非核心基因也有所差異。利用泛基因組策略，可以在一定程度上描述微生物和宿主之間的互相作用。
泛基因組學有助于開發(fā)菌種特異分子標記
如何利用泛基因組學研究人體微生物組？我個人認為有兩個層次：
第一，從菌株層面來講，利用普通的微生物培養(yǎng)或近年比較火的培養(yǎng)組學挖掘更多的菌株，進行全基因組測序，并利用泛基因組策略對物種進行功能和結構上的挖掘；
第二，從海量的宏基因組數(shù)據(jù)等多組學數(shù)據(jù)角度出發(fā)，利用組裝和分箱策略，挖華佗鎖精丸一次吃幾粒有效掘樣品中的單一菌株信息，構建宏基因組中的泛基因組框架。
當然，也可以把這兩個層次進行整合分析。
首先從菌株層次上，我們先后構建了大腸桿菌、肉毒桿菌以及金黃色葡萄菌球菌的泛基因組框架。
在大腸桿菌的研究中，我們先后收集了來自世界各地的不同菌株，通過泛基因組分析發(fā)現(xiàn)：大腸桿菌存在兩個常見的亞群，這兩個亞群對于糖和蛋白質的需求不同。這可能說明，兩個亞群在核心基因和非必需基因上存在功能性差異。
在肉毒桿菌和金黃色葡萄球菌的研究中，我們通過網上的海量數(shù)據(jù)分別構建了菌種特異的通用型分子標記，對感染事件和中毒事件進行溯源，為防控疫情的爆發(fā)和尋找源頭的研究提供了有力支持。
與此同時，我們將新開發(fā)的這些分子標記與傳統(tǒng)分子標記進行比較。
研究發(fā)現(xiàn)，新的分子標記在種群內的基因頻率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)分子標記。在菌株的聚類層面上，新的分子標記也與傳統(tǒng)分子標記有所不同。
研究同時，我們也與合作者開發(fā)了一些生信軟件，如Evolview在線進化樹注釋工具，可通過提交進化樹的原始文件，對進化樹完成各種生物學注釋。
除此之外，我們還開發(fā)了基于kmer以及機器學習方法的質粒預測工具。
我們知道，對于二代測序而言，質粒預測十分困難。經比較發(fā)現(xiàn)，我們的新軟件與同類型軟件相比，準確性是最高的。
在宏基因組研究層面，我們目前主要關注藥物干預對于腸道菌群結構的影響，重點挖掘腸道中的一些藥物酶。
我們發(fā)現(xiàn)，一些在肝臟表達活躍的酶，在腸道菌群中含有相似的同源基因。通過三維結構和功能元件的比較，挖掘出了一些功能相同的酶和菌群。結合泛基因組學的經驗，我們將這些含有相同酶的菌群進行了統(tǒng)一考量，而非單純地以種群為單位進行研究。
目前該研究已進入試驗驗證階段，我們相信該研究可以為藥物代謝提供新的思路。
最后，總結一下我們團隊的長期目標：
首先是構建人體，例如腸道、肺部、尿路、血液、膽汁等各個組織的微生物圖譜。除常規(guī)的基因數(shù)據(jù)、宏基因華佗鎖精丸里面是啥色的組數(shù)據(jù)外，還包含轉錄組數(shù)據(jù)、蛋白組數(shù)據(jù)以及代謝組等多組學方面的數(shù)據(jù)。
其次，我們還會收集并構建人體微生物組中菌群的泛基因組數(shù)據(jù)集。
再有，我們想開發(fā)一套以功能為主的新型聚類方法，與人體的表型數(shù)據(jù)相關聯(lián)。
以上就是我匯報的全部內容，感謝各位老師，希望跟各位老師多多交流。謝謝！
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