测序与疾病研究系列03高通量测序技术在代谢类疾病研究中的应用

®高通量测序技术在代谢类疾病研究中的应用解

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长知识金牌01020304代谢类疾病微生态研究前沿微生态组学介绍研究思路与案例分享取样方法CONTENTS课程目录微生态研究前沿01Liu

RX,

etal.,Nature

Medcine,

2017;Zmora

N,

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Me|tabo陪lis伴m,

医生科研成2017;

Walker

A

W,

et

al.

Science,2013;

DOI:10.1038/nm.4345长知识金牌肥胖糖尿病代谢疾病特定细菌进行氨基酸代谢菌群与代谢类疾病知识金牌IF:14.946

小肠菌群调控宿主对饮食脂质消化吸收的适应性反应①无菌小鼠抵抗高脂饮食诱导的肥胖，部分原因是小肠中脂肪的消化和吸收受损；②小肠菌群通过促进小肠中脂肪酶活性、系统性调控肠内分泌信号和影响局部脂肪酸转运等机制，调控肠道上皮对脂质的消化和吸收；③高脂饮食影响小肠菌群结构，给无菌小鼠定殖高脂饮食诱导的空肠菌群，即使食用低脂食物，其脂质吸收也增加；④体内和体外实验表明，特定菌株（双酶梭菌C.bifermentans等）及其活性代谢物可增加小肠中与脂质吸收相关的Dgat2基因表达；DOI:

10.1016/j.chom.2018.03.011解

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长菌群与代谢类疾病解

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长知识金牌IF:

14.946人体菌群与肥胖：跨越相关性①许多研究已证实肠道菌群与肥胖的紧密关联，但因果关联及背后的机制尚未明确；②目前大多数的相关临床研究为横断面研究，缺乏重要的临床元数据（疾病亚型分层、年龄、种族、人口统计学等）；③现有的研究模型包括无菌动物模型、体外类器官模型及生物反应器；④需要菌群研究者与肥胖研究者的合作及更好的生物信息学工具；DOI:

10.1016/j.chom.2017.10.005菌群与代谢类疾病知识金牌共生细菌利用CD8+T细胞引起胰岛素抵抗doi：10.1126/sciimmunol.aan1473肥胖患者的慢性低程度炎症可能促进NAFLD及NASH的发展；菌群失调造成的I型干扰素（IFN-I）上调信号介导了肝脏CD8+T细胞的活化，从而促进NAFLD患者及NAFLD小鼠模型的系统性葡萄糖代谢失调；菌群失调肥胖、慢性炎症

胰岛素抵抗从肥胖到解慢螺病旋，|

失陪调伴的医生菌科群研是成长中介菌群与代谢疾病解

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长知识金牌IF：37.205膳食纤维选择性富集的肠道细菌可缓解2型糖尿病①2型糖尿病患者随机分成两组，均用阿卡波糖治疗，U组（16例）为常规治疗组，W组（27例）接受同等热量的高膳食纤维营养干预；②相比U组，W组的糖化血红蛋白等指标改善得更快更好，该临床效果可经粪菌移植在小鼠中重现；③治疗过程中患者肠道菌群结构改变，高膳食纤维富集了由15株乙酸和丁酸产生菌组成的功能群，抑制了吲哚和硫化氢产生菌；④这组菌尤其增加丁酸生成，促进GLP-1和PYY分泌改善血糖，其丰度和多样性与临床治疗效果显著相关；饮食、益生菌和药物等调节肠道菌群解

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长知识金牌饮食、益生菌和药物等调节肠道菌群金银花与二甲双胍联用可缓解脂肪肝及葡萄糖不耐受，与调节肠道菌群相关植物和蘑菇的抗肥胖和抗糖尿病作用利拉鲁肽与沙格列汀调节肠道菌群与体重车前子多糖缓解2型糖尿病大鼠的高血糖及高血脂并影响结肠菌群解

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长知识金牌微生物多样性：群落中有哪些微生物？宏基因组：这些微生物能干什么？宏转录组：这些微生物要干什么？多组学：这些微生物为什么这么干？高通量测序微生态组学介绍02微生物多样性

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金

牌1991年Pace首次提出环境基因组学的概念，基于核糖体rRNA基因的扩增子测序来反映系统中的微生物多样性的组成(16S、18S、ITS、功能基因等)。16Sgenome

size:

~5Mb常见Marker

gene：细菌：16S；真菌：ITS，18S功能基因：AOA，AOB，nirK，nifH，McrA解

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长知识金牌测序流程分析流程多样性测序分析流程解

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|陪伴医生科研成长知识金牌如何从大量的多样性样本中挑选代表性样本做宏基因组？多样性宏基因组MicroPITAManor

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Microbe,2017.解

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长宏基因组

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牌宏基因组(Metagenome)：生态环境中全部微小生物的基因组(Handelsman

etal.,1998)。16SMetagenome多样性宏基因组物种组成√√物种丰度√√基因预测×√功能注释×√代谢通路×√功能分析×√……解

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长知识金牌物种与功能注释物种与功能分析宏基因组测序分析流程测序流程分析流程解

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伴医生科研成长知识金牌生物信息挖掘进入交互时代http://www.i-/宏基因组云平台强势来袭，全面上线！交互式云平台分析解

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陪伴医生科研成长知识金牌宏转录组(Metatranscriptome)：生态环境中全部微生物的转录组。宏转录组16SMetagenomeMetatranscriptome转录转录本DNARNAMarker

gene

(DNA)多样性宏基因组宏转录组检测微生物种类细菌、古菌、真菌中的一种所有微小生物（包括DNA病毒）所有微小生物（包括RNA病毒）物种组成√√√（活性）物种丰度√√√（活性）基因预测×√√（活性）功能注释×√√（活性）代谢通路×√√（活性）功能分析×√√（活性）解

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长知识金牌宏转录组分析流程数据质控拼接预测与基因基构建①差异基因分析②物种与功能注释物种与功能分析③④⑤⑥⑦⑧解

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长知识金牌结合两种或两种以上不同组学分析技术，如基因组、转录组、蛋白组或代谢组，对生物样本进行测序或检测，将各组学数据加以整合分析，并深入挖掘生物学信息的研究方法。多组学技术(Multi-Omics)在环境（宿主）微生态研究领域，采用微生物多样性、宏基因组、宏转录组、宏蛋白组和宏代谢组等多种组学技术交叉融合，用以研究微生物群落的结构组成、基因功能、代谢途径及微生物-环境互作等。多组学结合多角度阐明科学问题提高文章IF近年的研究热点趋势解

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长知识金牌多组学结合研究路线解螺旋

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长宏组学研究进展研究方向IF期刊时间研究内容组学类型DOI人体健康6.915J

Invest

Dermatol2016实验设计影响皮肤菌群16S+宏基因组10.1016/j.jid.2016.01.01612.552Cell

Host

Microbe2015Ⅰ型糖尿病婴儿肠道菌群动态变化16S+宏基因组10.1016/j.chom.2015.01.0019.423PNAS2014人体肠道宏基因组和宏转录组关联分析宏基因组+宏转录组10.1073/pnas.1319284111动物互作9.328ISME

J2016宿主与菌群互作分析菌群对结肠炎的响应宏基因组+宏转录组10.1038/ismej.2016.409.000Microbiome2016低甲烷产量绵羊相关菌群富集研究16S+宏基因组+宏转录组10.1186/s40168-016-0201-2植物互作11.329Nat

Commun2016海洋共生体分化与浮游植物固氮研究宏基因组+宏转录组10.1038/ncomms1107112.552Cell

Host

Microbe2015大麦根部菌群结构和功能研究16S+宏基因组10.1016/j.chom.2015.01.011海洋水体5.228Sci

Rep2017加拿大北极海上浮冰微生物群落研究16S+宏基因组10.1038/srep422429.328ISME

J2016浅冲积含水层营养循环宏转录组分析宏基因组+宏转录组10.1038/ismej.2016.259.328ISME

J2016地热微生物宏基因组与宏转录组研究宏基因组+宏转录组10.1038/ismej.2015.83土壤岩石9.328ISME

J2016矿物复合生物碳表面细菌群落研究16S+宏基因组10.1038/ismej.2016.1879.423PNAS2015全球土壤微生物群落对草地养分增加响应16S+宏基因组10.1073/pnas.1508382112环境保护4.165Front

Microbiol2016矿山微生物席与重金属污染净化16S+宏基因组10.3389/fmicb.2016.012525.228Sci

Rep2016细粒度氨氧化反应器16S+宏转录组10.1038/srep28327食品发酵5.228Sci

Rep2016温度驱动菌群功能改变并影响干酪成熟率16S+宏转录组10.1038/srep218714.165Front

Microbiol2016宏转录组分析干酪菌群活性宏转录组10.1111/1751-7915.12421其他6.444Biotechnol

Biofuels2016宏基因组与宏转录组分析沼气罐菌群代谢宏基因组+宏转录组10.1186/s13068-016-0534-x5.228Sci

Rep2015嗜热微生物纤维素分解和产甲烷途径宏基因组+宏转录组10.1038/srep06708知识金牌知识金牌宏基因组宏转录组宏基因组与宏转录组结合分析：计算物种或基因的MT/MG值，分析样本中物种或基因功能的转录活性。如基因的MT/MG>2，为高转录活性基因。解

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长多组学分析项目宏基因组宏转录组解

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长知识金牌多组学分析流程解

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长知识金牌物种分类学注释1、物种与功能注释物种分类学注释COG功能注释KEGG功能注释碳水化合物活性酶注释抗生素抗性基因注释毒力因子注释COG功能注释KEGG代谢途径注释碳水化合物活性酶的注释 比对CAZy数据库，适用于木质纤维素分解、糖代谢、食草动物瘤胃等相关研究。 比对ARDB数据库，适用于抗生素、抗菌剂、环境问题等方面的研究。抗生素抗性基因注释毒力因子注释 比对VFDB数据库，适用于人类疾病、动植物病害等方面的研究。多组学分析内容解

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Heatmap图知识金牌2、物种与功能组成分析柱状图Heatmap图Venn图Ternary三元相图柱状图三元相图venn图多组学分析内容解

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伴医生科研成长知识金牌3、物种与功能整合分析MT/MG散点图MT/MG柱状图MT/MG

Heatmap图关键物种/功能相对丰度连线图关键物种/功能散点图MT/MG散点图MT/MG物种柱状图MT/MG

Heatmap图多组学分析内容解

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|挑选相对丰度差异较高、且符合显著检验陪伴医水生平的科基研因成突长出显示。知识金牌3、物种与功能整合分析MT/MG散点图MT/MG柱状图MT/MG

Heatmap图关键物种/功能相对丰度连线图关键物种/功能散点图关键物种/功能散点图挑选相对丰度差异较高、且符合显著检验水平的基因突出显示。关键物种/功能相对丰度连线图多组学分析内容研究思路与案例分享03解

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长知识金牌医口方案设计-完整方案方案设计解

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长知识金牌痛风患者的粪便菌群及代谢组特征组学间进行关联分析实验设计：多样性：

健康组+疾病组VS代谢组：健康组+疾病组Front.

MicrobiolDOI:

10.3389/fmicb.2017.00268IF:4.165样品数量：健康组和疾病组各26个样品，共52个样品样本类型：男性粪便测序项目：16

rRNA

V3-V4区测序平台：llumina

MiSeq文献案例1-痛风解

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长知识金牌痛风患者肠道菌群失调拟杆菌属、红球菌属、紫单胞菌科、厌氧绳菌科在疾病组中富集；粪球菌属、毛螺菌科等在健康组中富集；doi:10.3389/fmicb.2017.00268丙氨酸、甘氨酸、牛磺酸等在疾病组中丰度较高缬氨酸、天冬酰胺、天门冬氨酸等在疾病组中丰度较低解

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长知识金牌痛风患者肠道差异代谢物doi:10.3389/fmicb.2017.00268doi:10.3389/fmicb.2017.00268解

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长知识金牌痛风患者肠道差异菌群与代谢物间相关性相比健康组，疾病组中富集的菌群与富集的代谢物呈正相关；相比健康组，疾病组中丰度较低的菌群与富集的代谢物呈负相关；相比健康组，疾病组中丰度较低的菌群与丰度较低的代谢物呈正相关；解

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长知识金牌菌群代谢与宿主生理功能人体肠道机会性致病菌上调可能会扰乱机体生理功能代谢信号参与痛风发病的多个生物过程：UA排泄、嘌呤代谢失调、炎症反应doi:10.3389/fmicb.2017.00268解

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长知识金牌doi:10.3389/fmicb.2017.00268案例分析内容解

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长知识金牌doi:10.1038/nm.4358研究人群肥胖组：95位肥胖个体，18-30岁；对照组：105位年龄和性别相匹配的苗条个体。宏基因组测序样品：粪便；策略：Illumina，PE100bp，插入350bp；数据量：去除宿主序列后，平均5.2G；代谢组样品：血清；平台：HPLC-MS；小鼠微生物移植实验组别：移植多形拟杆菌，移植灭活的多形拟杆菌，磷酸缓冲液（空白对照）肥胖患者在减肥干预后肠道菌群及血清代谢组改变文献案例2-肥胖解

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长知识金牌肥胖相关的基因和微生物肥胖个体的基因数量和微生物多样性较低、β多样性较高（组内差异）确定了35万个与肥胖相关基因，归类为217个MLGs(metagenomic

linkage

groups)，并且构建了Co-occurrencenetwork肥胖人群MLGs关联度高苗条人群AKK、以多形拟杆菌为代表的拟杆菌属丰度较高；而肥胖人群中瘤胃球菌属、梭杆菌属等的丰度较高蓝色正相关红色负相关doi:10.1038/nm.4358|

陪伴医生知识金牌与肥胖的临床指标匹配的肠道微生物发现与肥胖的临床指标最相关的26个MLGs，其中Bacteroides

thetaiotaomicron、Bacteroides

intestinalis、Bacte解ro螺id旋es

ovatus与B科M研I指成标长最相关。doi:10.1038/nm.4358知识金牌与肥胖的临床指标匹配的肠道微生物中显著高于对照组。蓝线负相关Leptin瘦素和adiponectin脂连素是脂肪细胞衍生的两大激素；瘦素和脂连素浓度负相关；F.prausnitzii

和B.

thetaiotaomicron与脂连素正相关，与瘦素负相关；Dorea

longicatena与瘦素浓度解呈螺正旋相关|

，陪与伴体医内生脂科连研成素长的浓度呈负相关，该菌丰度在肥胖组doi:10.1038/nm.4358解

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长知识金牌与血清代谢物相关的肠道微生物种类及其KO功能红色表示在肥胖组中富集，蓝色表示在对照组中富集对照组和肥胖组中共有148种代谢 物存在显著差异（附件），氨基酸 与拟杆菌属负相关；CIA分析（co-inertiaanalysis）： 发现肥胖组富集的与谷氨酸代谢通 路相关的7个MLGs；KO功能分析：预测在肥胖组中富 集了谷氨酰胺—谷氨酸的代谢途径，而减少了谷氨酸—γ-氨基丁酸（GABA）的代谢途径肠道微生物与循环氨基酸的相关性doi:10.1038/nm.4358解

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长知识金牌小鼠多形拟杆菌移植实验给正常饮食（CD）和高脂饮食（HFD）的小鼠分别移植多形拟杆菌（LBT）、灭活的多形拟杆菌（KBT）、磷酸缓冲液（PBS）LBT小鼠的总脂肪量减少、肌肉量增加、脂连素升高、瘦素降低，参与脂肪合成、炎症因子产生的基因的表达量也都明显下降doi:10.1038/nm.4358解

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成长知识金牌胃切除术引起肠道微生物及血清代谢物改变肥胖者接受胃切除术后：多形拟杆菌增加体重减少，高血糖、胰岛素抵抗和炎症反应显著减轻；代谢循环中的谷氨酸含量也大 大减少；肠道中的多形拟杆菌随着体重的下降慢慢增加doi:10.1038/nm.4358研究结论再次证实了肥胖与肠道菌群的关系，肥胖和肠道菌群变化的作用是相互的：肥胖会改变菌群，菌群也会改变肥胖。发现了以前未知的与肥胖负相关的肠道微生物，如多形拟杆菌；解释了肠道微生物是如何参与到人体循环氨基酸代谢通路，如谷氨酰胺—谷氨酸—γ-氨基丁酸代谢途径。通过胃切除术干预和小鼠体外移植多形拟杆菌，均达到了减肥的目的，并伴随着相关肠道微生物和血清代谢物的改变，证明通过肠道菌群干预来靶向治疗肥胖是可能实现的。亮点①实验设计科学合理，包含前期实验、小鼠模型、手术治疗。②检测手段多样，包括宏基因组和代谢组，并对差异的微生物以及与疾病直接相关的代谢物进行了关联分析。doi:10.1038/nm.4358解

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长知识金牌解

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长知识金牌人体肠道宏基因组和宏转录组的关系实验设计：46文献案例3-组学数据深度结合解

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长知识金牌身体取样点是造成菌群差异的最大原因能够穿过肠道并存活下来的口腔微生物，并非肠道微生态稳定和活跃的贡献者Dialister

invisus是唯一在两处身体位点都有较高丰度的微生物，但几乎检测不到其物种特异性的转录本解

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长知识金牌肠道宏转录组中上调和下调的途径和进程：基因与其转录本的相对丰度有较好的相关性（Spearman’s

r=0.76,P<0.001）抗四环素、核糖体蛋白合成、产甲烷和碳循环等相关基因的表达急剧上调淀粉和蔗糖代谢、氨基酸合成、产孢、肽聚糖合成等相关基因的表达急剧下调解

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长知识金牌细菌组蛋白、分子伴侣、糖醛酸代谢编码基因基因丰度相对稳定，但表达高度变异；蛋白酶体的编码基因和转录表达均高度变异。解

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长知识金牌案例分析内容解

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|陪伴医生科研成长知识金牌微生物相关疾病Bacteroidaceae

sp.痛风Bacteroides痛风、类风湿性关节炎、全身性红斑狼疮、糖尿病Clostridium（梭菌）T2D、痛风Porphyromonadaceae（紫单胞菌科）肠道中机会致病菌（痛风、强直性脊柱炎、克罗恩病）Rhodococcus（红球菌属）痛风、克罗恩病、系统性红斑狼疮（SLE）Erysipelatoclostridium肠道中机会致病菌（痛风）Anaerolineaceae（厌氧绳菌科）肠道中机会致病菌（痛风）Prevotella（普氏菌）来源于口腔和阴道牙周疾病、类风湿性关节炎Klebsiella（克雷伯氏菌）口腔致病菌、高血压Porphyromonas（卟啉单胞菌属）口腔致病菌、结直肠癌Faecalibacterium（粪杆菌属）肠道有益菌Lactobacillus（乳杆菌）肝硬化Roseburia（罗氏菌）肠道有益菌Bifidobacterium（双歧杆菌）肠道有益菌propionibacterium

acnes（丙酸痤疮杆菌）痤疮Fusobacterium（梭杆菌）肝硬化、结直肠癌、溃疡性结肠炎、高血压疾病相关菌期刊名称影响因子研究方向Nature

Biotechnology41.667生物工程与应用微生物Nature

MicrobiologyNA微生物学Nature40.137综合性期刊Science37.205综合性期刊Nature

Reviews

Microbiology26.819微生物学Cell

Host

&

Microbe14.946微生物学FEMS

microbiology

reviews12.198微生物学Nature

Communications12.124综合性期刊Trends

in

Biotechnology11.126生物工程与应用微生物Trends

in

Microbiology11.02微生物学Nucleic

Acids

Research10.162生化与分子生物学Nature

Protocols10.032生化研究方法The

ISME

Journal9.664微生物学PNAS9.661综合性期刊Annual

Review

of

Microbiology9.415微生物学Microbiome8.496微生物学Water

Research6.942环境科学与工程学mBio6.956微生物学Current

opinion

in

microbiology6.635微生物学Global

environmental

change6.327环境科学Environmental

science

&

technology6.198环境科学与工程学Bioresource

Technology5.651