微生物系列专题01微生物组学与人体健康研究进展

®微生物组学与人体健康研究进展解螺旋

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牌01微生物组研究背景介绍02微生物组学技术及多组学研究简介03CONTENTS课

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目

录人体微生物组与健康研究进展微生物组研究背景介绍01解

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牌微生物组与微生物组学微生物组（Microbiome）

一个特定环境或者生态系统中全部微生物及其遗传信息，包括其细胞群体以及全部遗传物质微生物组学（Microbiomics）

是以微生物组为对象，研究其

结构与功能、内部群体间的相互关系和作用机制，研究其与环境或者宿主的相互关系，并

最终能够调控微生物群体生长、代谢等，为人类健康和社会可

持续发展服务解

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牌菌群（Microbiota），

Metagenome（宏基因组），微生物组（Microbiome）区别a

|Microbiota:

16S

rRNAsurveys

are

used

to

taxonomically

identify

the

microorganisms

in

the

environment.

b|

Metagenome:

thegenesand

genomes

ofthe

microbiota,

including

plasmids,

highlighting

the

genetic

potentialof

the

population.c

|

Microbiome:

the

genes

and

genomes

ofthe

microbiota,

as

well

as

theproductsofthe

microbiota

andthe

host

environment.DOI:

10.1038/nrurol.2014.361解

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牌微生物组重要的生态作用2014年综合人体微生物组计划TheIntegrativeHuman

Microbiome

Project简称：iHMP解

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牌微生物研究国际计划Human

MicrobiomeProject简称：HMP美国和欧盟启动的HMP计划2007年人类微生物组计划投资1.5亿美元欧盟MetaHIT计划2010年人类肠道宏基因组计划投资2200万欧元Metagenomicsof

the

HumanIntestinal

Tract简称:Meta-HIT2016年国家微生物组计划投资5.21亿美元National

MicrobiomeInitiative简称:NMI美国NMI计划解

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长中国微生物研究计划（CMI） 知

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牌2016年12月1日

中国微生物研究计划研究方向:

“6+2”模式6个领域:

人体、环境、农作物、家养动物肠道、工业以及海洋两个方向:微生物组研究方法及应用技术平台和微生物组数据储存及功能挖掘2017年12月20日

中国科学院重点部署项目“人体与环境健康的微生物组共性技术研究”暨“中国科学院微生物组计划”解

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牌来源：Pubmed时间：至2018年9月份微生物相关文章发表数量呈快速增长趋势Pubmed:

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(gutmicrobiota

)解

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牌微生物组成为顶尖杂志封面的常客知

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牌2018年国自然统计其它91%微生物相关~10%其它微生物85%肠道微生物相关15%风湿免疫9%代谢疾病30%肿瘤/癌9%医学+生命科学共15805项共获资助697771万元肠道微生物共215项共获资助11278.8万元包括：重点项目

10

个面上项目

104

个解

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长中医/中药59%其它41%知

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牌微生物研究带动的相关产业发展体外诊断行业:

肠道菌群检测/分子标记物诊断目前肠道菌群检测公司主要以B2C及B2B为主，较成熟公司主要针对健康管理公司、体检机构、高端会所。国内该类型公司目前

有10多家，如量化健康、态昌基因、微健康基因、锐翌健康等保健品行业：微生态制剂/药物研发目前形式多样：益生元、益生菌、合生元产品层

出不穷。除传统的奶制品外，涌出大量以肠道

菌群调理为口号的新产

品。解

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旋医疗健康行业:

粪便移植/粪便银行美国马萨诸塞州梅德福的“粪便银行”

——OpenBiome香港-亚洲益菌中心(AsiaMicrobiota

Bank)荷兰最近开设了该国首间“粪便银行”,通过收集和储存粪便,为治疗肠道感染患者“移植粪便”健康管理/医美行业：糖尿病、亚健康管理；美容、护肤亚健康管理公司、会所成立，针对“以肠道菌群为靶点”的健康调理，目标人群：肥胖、糖尿病、肠道菌群失调、肿瘤等强生、欧莱雅等都在投资的微生物菌群护肤品，Esse、Bebe&Bella早已玩转！| 陪

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长人体微生物组与健康研究进展02解

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牌人体微生物组随增龄而变化DOI：10.1016/j.cell.2017.11.024知

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牌肠道微生物失调与多种疾病相关消化道疾病：结肠癌、大肠癌、克罗恩病和溃疡性结肠炎（IBD

）等代谢性疾病：糖尿病、肥胖、脂肪肝、动脉粥样硬化、冠心病、心脑血管疾病等精神性疾病：抑郁症、自闭症、焦虑等神性系统疾病：帕金森病、阿尔茨海默病等自身免疫性疾病：类风湿性关节炎（RA）、慢性疲劳综合征等解

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生…科

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牌肠道菌群失调与心血管疾病DOI:

10.1161/CIRCULATIONAHA.116.024251肠道菌群失调与心血管疾病（CVD）以及多种心脏代谢综合征有关；动物模型和人类研究中已经证明肠道微生物群落形成的氧化三甲胺（TMAO）与CVD发生的相关机制；粪菌移植、益生元/益生菌和TMAO抑制剂等针对肠道微生物群落的干预和治疗手段为CVD治疗提供了新机遇；临床追踪试验发现地中海式饮食或素食有助于产生短链脂肪酸、减少三甲胺及次级胆酸生成，进而降低心脏代谢性疾病发生解

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牌肠道微生物与肥胖DOI:

10.1126/science.aaf5094DOI:

10.1126/science.1243787肠道微生物与肥胖间的因果关系证据影响糖尿病和肥胖发生的非遗传环境因素解

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牌微生物组诱发高血压的可能原因DOI:

10.1161/CIRCRESAHA.116.310339中枢神经系统的交感神经

活动与增加的肠道通透性

之间存在直接的因果关系；肠道通透性的变化导致高血压并导致肠道细菌类型的改变；此外导致肠道通透性增加的交感神经活动的变化也与肠壁内炎症细胞的增加有关解

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牌肠-肝轴与肝脏疾病DOI:

10.1038/

s41575-018-0011-z肝脏代谢产物能够影响肠道微生物群落组成、肠道屏障完整性，而肠道因子则可调节肝脏中的胆汁酸合成、葡萄糖和脂质代谢；非酒精性脂肪性肝和酒精性肝等肝脏疾病间并非无关联;

肝脏、肠道中的促炎变化导致肝脏纤维化→肝硬化→肝细胞癌的发展解

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牌肠道微生物影响癌症患者免疫治疗效果DOI:

10.1126/science.aar6918⬅某些特定菌种的存在与免疫检查点抑制剂的疗效相关抗生素可削弱免疫检查点抑制剂的疗效⬆菌群产生毒性、致癌性代谢产物，或通过引起炎症或免疫抑制，直接或间接地调控肿瘤的发生、进展以及肿瘤治疗效果微生物组学技术及多组学研究简介03知

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牌微生物研究方法微生物样解本螺

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长分离培养方法检测＜1%的微生物物种分子生物学技术微生物群落结构的全面解析高通量测序PCR-DGGE分子生物学方法实时荧光定量PCR克隆文库传统方法微生物培养解

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牌测序技术飞速发展2018201120152012PacBio

RSOxfordNanopore

MinIONMiseq

v3Hiseq

X

Five/

×Ten

PacBio

Sequel20152014通量高，人类基因组的测序费用首次降至1000美元以下平均读长~

20

kb核酸测序技术速度、通量的惊人增长、测序成本的降低 极大促进了微生物组研究进展三代长读长测序三代长读长测序，便携，操作简便，成本低2013PacBio

RSⅡ三代长读长测序，平均读长~

10

kbDOI:10.1038/nprot.2016.148解

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牌如何进行人体微生态研究DOI:10.3389/fped.2017.00138代谢产物基因表达水平群落组成基因及基因功能宏基因组学宏转录组学宏蛋白组学宏代谢组学DNARNA蛋白质代谢产物蛋白水平微生物多样性宏基因组测序宏转录组测序蛋白质检测代谢产物检测人体特定部位研究对象组学技术研究方法产出解

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长微生物多样性测序 知

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牌V1V2V3V4V5V6V8V7V9341F806R515F806R基本介绍通过对指定环境中微生物（细菌和古菌16S

rDNA序列高变区域（V1-V9）；真核生物18S

rRNA基因序列可变区域（V1-V5和V7-9）或ITS区域(ITS1/ITS2））进行序列测定，研究该环境下微生物群落的多样性，包括微生物群落组成、分布特征、进化关系以及微生物与宿主、环境间的互作关系等研究对象特定环境中细菌或古细菌、真菌等0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500技术路线解

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长宏基因组测序 知

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牌基本介绍以特定环境中整个微生物群落作为研究对象，不需对环境中微生物进行分离培养，利用高通量测序平台进行测序，可以进行微生物组成及种类鉴定、系统进化、功能注释，样品间的物种或基因差异以及物种间的代谢网络等分析宏基因组技术路线样品提取基因组DNA基因组DNA片段化Illumina测序数据质控高质量数据生物信息学分析解

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牌宏转录组测序-研究活性微生物Total

RNA检测rRNA去除双链cDNA合成末端修复

加A

和接头片断选择和PCR富集文库构建上机测序基本介绍宏基因组只能从DNA水平预测潜在的代谢功能和基因表达，然而在特定的时空下并非所有的基因都会表达。为了研究特定时空下微生物群落如何应对环境因子的变化，包括活跃菌种的组成及活性基因的表达，则需要分析微生物群落的mRNA表达情况。解

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牌微生物分析芯片—中科普瑞国内首推基于NCBI数据库序列数据分析科保守区域和靶标特异性区域的非多态性序列可实现菌种和菌株水平检测；可检出12,000多种微生物，包括细菌、古菌、真菌、病毒和原生生物，单次试验即可检测出样品中的所有已知微生物解

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牌宏基因组宏转录组微生物多样性测序（二代）微生物芯片微生物16S全长测序（三代）检测平台Illumina

HiseqX&NovaseqIllumina

HiseqX&NovaseqIlluminaMiseqPE300Axiom

Microbial

ArrayPacbio检测微生物种类细菌、真菌、古菌、病毒、原核生物细菌、真菌、古菌、病毒、原核生物细菌、真菌或古菌中的一种细菌、真菌、古菌、病毒、原核生物细菌、真菌、古菌中的一种物种分类鉴定种种属种或菌株种或属，依赖于数据库物种组成√√（活性）√√√物种丰度√√（活性）√X√基因预测√√（活性）通过16S预测，准确性低X通过16S预测，准确性低功能注释√√（活性）通过16S预测，准确性低X通过16S预测，准确性低代谢通路√√（活性）通过16S预测，准确性低X通过16S预测，准确性低备注：根据研究目的，选择合适的平台；如果初步做样本筛选，可以做16S，再选取有代表性的样本做宏基因组测序或宏转录组。常见的微生物研究方法比较DOI:

10.1038/NMICROBIOL.2016.49解

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牌功能基因含量基因突变基因调节基因表达蛋白含量

蛋白活性

翻译后修饰内源代谢物

外源代谢物

的定性与定量微生物表型组表型特点环境扰动健康或疾病微生物多组学研究①

利用宏基因组学方法研究微生物群体为人们较好地阐释了微生物群体的多样性和重要性；②

然而仅依靠DNA层面的分析，不能很好地研究微生物组的功能情况；③

因此建议利用多组学分析的方法（包括——基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学），

为微生物表型组提供更丰富的信息来源。解

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牌宿主基因组+微生物多组学研究助力疾病研究解

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牌为何要做多组学研究？地域因素对菌群诊断模型的影响6%，其它影响？解

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牌与异卵双胞胎相比，同卵双胞胎（基因完全相同）之间的微生物丰度更为相似。异卵双胞胎的基因相似