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第四節(jié) 宏基因組檢測(cè)技術(shù)

人類(lèi)基因組計(jì)劃(human genome project,HGP)的完成促使了基因組功能性研究計(jì)劃的開(kāi)展,并推動(dòng)從結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究時(shí)代進(jìn)入功能性基因組研究為主的后基因組時(shí)代,人體基因的功能研究成為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是越來(lái)越多的研究表明,人體的生理代謝和生長(zhǎng)發(fā)育不僅受自身基因控制,還與其他生物基因組相關(guān);對(duì)疾病的易感性、藥物反應(yīng)等許多現(xiàn)象,也無(wú)法全部用人體基因差異來(lái)解釋。人體內(nèi)共生著大量的(10 14個(gè))微生物,達(dá)一千多種,雖然其重量?jī)H占體重的1%~2%,但其細(xì)胞數(shù)量是人體自身細(xì)胞的10倍,參與人體發(fā)育、生理調(diào)節(jié)、免疫、營(yíng)養(yǎng)吸收等各種生命活動(dòng)中,與人類(lèi)建立了穩(wěn)定和諧的共生關(guān)系。人的健康狀況發(fā)生變化,體內(nèi)的共生微生物的組成就會(huì)發(fā)生變化;體內(nèi)共生微生物的組成的變化也會(huì)導(dǎo)致人體的健康狀況的改變。因此在研究人體基因與健康的關(guān)系時(shí),必須考慮與人類(lèi)長(zhǎng)期共生的微生物群體的基因?qū)θ祟?lèi)的影響。最新的研究證實(shí),人體內(nèi)微生物編碼的基因是人體自身基因數(shù)目的50~100倍,這些微生物的基因總和相當(dāng)于人體的第二個(gè)基因組,稱(chēng)為微生物組或人體宏基因組。人體的基因組與人體內(nèi)的微生物組共同作用影響人體的免疫、營(yíng)養(yǎng)和代謝過(guò)程。

一、人體宏基因組學(xué)概念

(一) 宏基因組和宏基因組學(xué)
宏基因組(metagenome),又稱(chēng)微生物環(huán)境基因組、元基因組,是由Handelsman等1998年提出的,其定義為環(huán)境中全部微小生物遺傳物質(zhì)的總和,目前主要指環(huán)境樣品中的細(xì)菌和真菌的基因組總和。宏基因組是一個(gè)巨大的基因資源庫(kù),但是僅有0.1%~1%的微生物在現(xiàn)有技術(shù)條件下是可培養(yǎng)的,因此致使未培養(yǎng)微生物基因資源的開(kāi)發(fā)利用受到限制。宏基因組技術(shù)直接提取環(huán)境樣品總DNA,避開(kāi)了微生物分離培養(yǎng)的問(wèn)題,極大擴(kuò)展了微生物資源的利用空間。所謂宏基因組學(xué)(metagenomics)就是以生態(tài)環(huán)境中全部細(xì)菌和真菌基因組DNA作為研究對(duì)象,包含了可培養(yǎng)和還不能培養(yǎng)的微生物的基因,通過(guò)克隆、異源表達(dá)來(lái)篩選有用基因及其產(chǎn)物,研究其功能和彼此之間的關(guān)系和相互作用,并揭示其規(guī)律的學(xué)科。宏基因組學(xué)又稱(chēng)環(huán)境基因組學(xué)、生態(tài)基因組學(xué)等,是基因組學(xué)中的一個(gè)新興的重要科學(xué)研究領(lǐng)域。宏基因組學(xué)為探索微生物世界的奧秘提供了新的方法,這是繼發(fā)明顯微鏡以來(lái)研究微生物方法的最重要進(jìn)展,將是對(duì)微生物世界認(rèn)識(shí)的革命性突破。
(二) 人類(lèi)宏基因組學(xué)
人體內(nèi)部或體表有數(shù)以萬(wàn)億的微生物個(gè)體存活,包括細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌、寄生蟲(chóng)和病毒等。這些微生物存在于人體的腸道、口腔、呼吸道、生殖道和皮膚等,與機(jī)體處于共生狀態(tài),我們把這種多種微生物聚居在一起形成的系統(tǒng)叫做“微生物群落”,也稱(chēng)菌群。把人體內(nèi)所有微生物基因組的總和稱(chēng)為人體宏基因組(human metagenome)或微生物組(microbiome)。人類(lèi)宏基因組學(xué)(human metagenomics)則是研究人體宏基因組結(jié)構(gòu)和功能、相互之間關(guān)系、作用規(guī)律和與疾病關(guān)系的學(xué)科。它不僅要把總體基因組序列信息都測(cè)定出來(lái),而且還要研究與人體發(fā)育和健康有關(guān)的基因功能。人類(lèi)宏基因組學(xué)近年已受到廣泛關(guān)注,2010年,被《自然》雜志預(yù)測(cè)是未來(lái)十年科學(xué)的走向之一。
(三) 世界上主要的人類(lèi)宏基因組學(xué)研究項(xiàng)目
1. 人體微生物組計(jì)劃
2004年,美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH )專(zhuān)門(mén)設(shè)立了“利用宏基因組學(xué)研究口腔微生物”的研究項(xiàng)目。為全面分析人體微生物群系,揭示微生物與人體健康和疾病狀態(tài)之間的聯(lián)系,NIH于2007年12月19日正式啟動(dòng)一項(xiàng)新的基因工程——人體微生物組計(jì)劃(human microbiome project,HMP)。HMP是人類(lèi)基因組計(jì)劃(human genome project,HGP)的延伸,又稱(chēng)“人類(lèi)第二基因組計(jì)劃”,它相當(dāng)10個(gè)HGP工作量,其規(guī)模和廣度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)HMP計(jì)劃。將來(lái),HMP與HGP相互結(jié)合,將為了解“遺傳與環(huán)境”相互作用提供前所未有的機(jī)遇,一定會(huì)為理解人類(lèi)健康與疾病揭示更多的秘密。科學(xué)家認(rèn)為,HMP計(jì)劃將對(duì)闡明人類(lèi)許多疾病的發(fā)生機(jī)制、研究新藥物、控制藥物毒性等產(chǎn)生巨大作用。人類(lèi)基因組和人類(lèi)宏基因組這兩本“天書(shū)”繪制完成后,將有助于更好地破解人類(lèi)疾病。
HMP的目標(biāo):①利用新的高通量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),更為全面的對(duì)至少250名健康志愿者的多個(gè)部位進(jìn)行人體微生物組研究;②通過(guò)對(duì)一些不同的醫(yī)學(xué)狀況進(jìn)行研究,明確人體微生物組變化與健康/疾病的相關(guān)性;③為HMP的廣泛研究和推廣,提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫(kù)和新的技術(shù);同時(shí)系統(tǒng)地研究HMP涉及的倫理、法律和社會(huì)問(wèn)題。HMP的最終目的是通過(guò)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)人體微生物組,實(shí)現(xiàn)增進(jìn)人類(lèi)的健康。
2. 人類(lèi)腸道宏基因組計(jì)劃
因?yàn)槟c道菌群在人類(lèi)健康方面起著重大的作用,歐盟第七框架協(xié)議在2008年1月資助了“人類(lèi)腸道宏基因組計(jì)劃”(european commission metagenomics of the human intestinal tract,MetaHIT)。MetaHIT項(xiàng)目的合作伙伴包括了來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、丹麥、法國(guó)、日本、西班牙、英國(guó)、芬蘭8個(gè)國(guó)家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的13個(gè)成員。MetaHIT項(xiàng)目的目的是研究人類(lèi)腸道中的所有微生物群落,進(jìn)而了解人腸道中細(xì)菌的物種分布,最終為后續(xù)研究腸道微生物與人的肥胖、腸炎、糖尿病等疾病的關(guān)系提供非常重要的理論依據(jù),達(dá)到預(yù)防和監(jiān)控的目的。MetaHIT項(xiàng)目相當(dāng)于對(duì)人類(lèi)腸道中的細(xì)菌進(jìn)行了一次全面的“基因普查”。
(四) 國(guó)際人類(lèi)微生物組聯(lián)盟
在2008年10月16日德國(guó)海德堡會(huì)議上,來(lái)自全球各地的科學(xué)家共同宣布,成立國(guó)際人類(lèi)微生物組聯(lián)盟(International Human Microbiome Consortium,IHMC),以協(xié)調(diào)全球人類(lèi)微生物組研究,避免不必要的重復(fù)工作;快速共享在人類(lèi)微生物組研究方面取得比較一致(分子和臨床)的數(shù)據(jù)、共識(shí)、方法和結(jié)果。IHMC 將通過(guò)國(guó)際性項(xiàng)目產(chǎn)生一個(gè)共享數(shù)據(jù)資源,方便全球科學(xué)研究共同體的免費(fèi)使用。而與此同時(shí),NIH也于近期與歐盟理事會(huì)(EC)正式簽署協(xié)議,整合當(dāng)前正在進(jìn)行的來(lái)自NIH“人類(lèi)微生物組”項(xiàng)目和EC“人類(lèi)腸道宏基因組”項(xiàng)目的數(shù)據(jù),作為IHMC微生物組的基石。

二、宏基因組檢測(cè)技術(shù)

宏基因組檢測(cè)技術(shù)是以測(cè)序?yàn)榛A(chǔ)的非依賴(lài)于培養(yǎng)的,研究微生物所有基因(基因組)的方法。第一代測(cè)序技術(shù)包括Sanger等(1977年)發(fā)明的雙脫氧鏈末端終止法與Maxam和Gilbert(1977年)發(fā)明的化學(xué)降解法。這兩種方法在原理上差異很大,但都是根據(jù)核苷酸在某一固定的點(diǎn)開(kāi)始,隨機(jī)在某一個(gè)特定的堿基處終止,產(chǎn)生A,T,C,G四組不同長(zhǎng)度的一系列核苷酸,然后在尿素變性的PAGE膠上電泳進(jìn)行檢測(cè),從而獲得DNA序列,目前Sanger測(cè)序法得到了廣泛的應(yīng)用。第一代測(cè)序技術(shù)存在成本高、速度慢、通量低等不足,并不是后基因組時(shí)代最理想的測(cè)序方法。進(jìn)入21世紀(jì)后,以Roche 454、Illumina Solexa和ABI SOLiD為代表的第二代測(cè)序技術(shù)誕生了,第二代(新一代)測(cè)序技術(shù),以數(shù)據(jù)產(chǎn)出通量高為最大特點(diǎn),故一般稱(chēng)為高通量測(cè)序。這一技術(shù)目前主要有兩個(gè)平臺(tái)。
(一) Roche 454測(cè)序技術(shù)
454公司可謂第二代測(cè)序技術(shù)的奠基者。2005年底,454公司推出了革命性的基于焦磷酸測(cè)序法的高通量基因組測(cè)序系統(tǒng)——Genome Sequencer 20 System。這一技術(shù)的建立開(kāi)創(chuàng)了邊合成邊測(cè)序(sequencing by synthesis)的先河,被nature雜志以里程碑事件報(bào)道。之后,454公司被羅氏診斷公司以1.55億美元收購(gòu)。一年后,他們又推出了性能更優(yōu)的第二代基因組測(cè)序系統(tǒng)——Genome Sequencer FLX System(GS FLX)。2008年10月,Roche 454在不改變機(jī)器的情況下,推出了全新的測(cè)序試劑——GS FLX Titanium,全面提升了測(cè)序的準(zhǔn)確性、讀長(zhǎng)和測(cè)序通量。
目前,Roche 454 GS FLX Titanium每次運(yùn)行能產(chǎn)生100萬(wàn)條序列,平均讀長(zhǎng)能達(dá)到400nt,且第400個(gè)堿基的準(zhǔn)確率能達(dá)到99%。一次運(yùn)行所需時(shí)間為10小時(shí),能獲得4億~6億個(gè)堿基的序列信息。
(二) Illumina Solexa測(cè)序技術(shù)
Illumina公司的第二代測(cè)序儀最早由Solexa公司研發(fā),利用其專(zhuān)利核心技術(shù)"DNA簇"和"可逆性末端終結(jié)(reversible terminator)",實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化樣本制備和大規(guī)模并行測(cè)序。Illumina公司于2007年初花巨資收購(gòu)了Solexa。2010年初,Illumina將其第二代測(cè)序儀Genome AnalyzerⅡx升級(jí)到HiSeq 2000。HiSeq 2000含有兩張F(tuán)low cell,可同時(shí)運(yùn)行或者只運(yùn)行其中一張。讀長(zhǎng)為100nt,同時(shí)支持Fragment、Pair-end和Mate-Paired文庫(kù)。每次運(yùn)行最多可產(chǎn)生200GB的數(shù)據(jù)量(讀長(zhǎng)為2×100nt)。

三、宏基因組研究結(jié)果分析

宏基因組測(cè)序是基于新一代測(cè)序儀對(duì)特定環(huán)境微生物種群全基因組DNA研究技術(shù)。該方法的特點(diǎn)是在提取微生物種群的DNA后,制備DNA文庫(kù)進(jìn)行高通量的測(cè)序,可以從整體上對(duì)樣品群落進(jìn)行分析,不受微生物是否能培養(yǎng)的限制,而且研究對(duì)象從單一基因組到一個(gè)基因組集合,擺脫了對(duì)于傳統(tǒng)基因組研究的物種限制,開(kāi)辟了微生物群體基因組學(xué)研究的新路徑。
(一) 宏基因組測(cè)序分析流程
宏基因組測(cè)序分析流程見(jiàn)圖4-1
圖4-1 宏基因組測(cè)序分析流程
(二) 原始數(shù)據(jù)處理
1. 有效序列數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
在測(cè)序?qū)嶒?yàn)中,通常采用多個(gè)樣品平行測(cè)序的方法,即多個(gè)樣品混合測(cè)序。為了能區(qū)分樣品,各樣品中的序列均引入了一段標(biāo)示其樣本來(lái)源信息的barcode標(biāo)簽序列。若所測(cè)序列中不含有barcode標(biāo)簽序列,則無(wú)法確定其樣本來(lái)源,進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)生物信息錯(cuò)誤或意義不明。因此,僅當(dāng)原始序列中含有完整的barcode標(biāo)簽序列時(shí),該條序列才被認(rèn)可為有效序列。
2. 優(yōu)化序列數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
通常情況下,有效序列可以直接用于后續(xù)生物信息學(xué)分析。但如果需要得到更高質(zhì)量及更精準(zhǔn)的生物信息分析結(jié)果,則應(yīng)對(duì)有效序列進(jìn)行去雜。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,序列中可能含有模糊堿基(ambiguous)、單堿基同源區(qū)(homologous)以及長(zhǎng)度過(guò)短的序列,將這些序列納入分析范圍會(huì)降低分析質(zhì)量,因此修剪、去除(trim)此部分序列,可得到供精準(zhǔn)分析的優(yōu)化序列,該過(guò)程可能出現(xiàn)拋棄一定量數(shù)據(jù)的情況,但可以保證得到更高質(zhì)量的信息分析。
(三) 生物信息學(xué)分析
1. OTU生成
OTU(operational taxonomic units)是數(shù)值分類(lèi)最低等級(jí)的分類(lèi)單位。在生物信息分析中,測(cè)序得到的每一條序列來(lái)自一個(gè)細(xì)菌。要了解一個(gè)樣品微生物組成信息,就需要將序列按照彼此的相似性進(jìn)行歸類(lèi),每一類(lèi)就是一個(gè)OTU。目前通常按照96%~98%進(jìn)行OTU的劃分,并對(duì)OTU進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析,但是OTU劃分和物種分類(lèi)是不完全對(duì)應(yīng)的(圖4-2)。
圖4-2 OUT劃分過(guò)程中所用相似性的選擇
2. 稀釋曲線
Rarefaction即取樣深度,是比較測(cè)序量不同的樣本之間的物種豐富度,通過(guò)各樣品的測(cè)序量及在不同測(cè)序深度的OTU數(shù)目構(gòu)建稀釋曲線(rarefaction curve),以此反映單個(gè)樣本測(cè)序數(shù)量對(duì)應(yīng)的物種豐度,也可以用來(lái)說(shuō)明樣本的取樣大小是否合理。稀釋性曲線圖中(圖4-3),當(dāng)曲線趨向平坦時(shí),說(shuō)明取樣的數(shù)量合理,更多的取樣也可能只產(chǎn)生少量新的OUT,反之則表明繼續(xù)取樣還可能產(chǎn)生較多新的OTU。
圖4-3 單一樣本稀釋曲線
圖中3條曲線分別表示97%(0.03)、95%(0.05)和90%(0.10)相似性時(shí)的變化
3. 多樣性評(píng)估
Shannon-Wiener 指數(shù)是反映樣品的微生物多樣性指數(shù),在確定相似度劃分OTU之后,以測(cè)序深度為橫坐標(biāo),以不同測(cè)序深度的多樣性指數(shù)為縱坐標(biāo)制作曲線,以此反映各樣本在不同的測(cè)序數(shù)量時(shí)對(duì)應(yīng)的微生物多樣性。當(dāng)曲線趨向平坦時(shí),說(shuō)明測(cè)序量能反映樣品中絕大多數(shù)微生物信息(圖4-4)。
圖4-4 全部樣本Shannon-Wiener多樣性指數(shù)曲線圖
4. 分類(lèi)學(xué)(Taxonomy)分析
在之前的分析步驟中,已經(jīng)將序列按照其自身的堿基排列順序的相似性,分歸到各OTU中。在進(jìn)行分類(lèi)學(xué)分析時(shí),首先,將每一條優(yōu)質(zhì)序列都與SILVA(最新版)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),找出其最相近且可信度達(dá)80%以上的種屬信息。之后,將每一個(gè)OTU中的所有序列進(jìn)行類(lèi)比,找出同一OTU中的不同序列的最近祖先的種屬信息。最后,將得到的結(jié)果記錄在表格文件中。這樣做,可以在保留最可能多的信息量的情況下,確保得出信息的準(zhǔn)確性。
5. 群落結(jié)構(gòu)(Community Structure)分析
根據(jù)分類(lèi)學(xué)分析結(jié)果,可以得知一個(gè)或多個(gè)樣品在各分類(lèi)水平的分類(lèi)學(xué)比對(duì)情況。在結(jié)果中,包含了兩個(gè)信息:①該樣品中含有何種微生物;②這些微生物各自所含有的序列數(shù)。因此可以使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析方法,觀測(cè)樣品在不同分類(lèi)水平上的群落結(jié)構(gòu)。將多個(gè)樣品的群落結(jié)構(gòu)分析放在一起對(duì)比時(shí),還可以觀測(cè)其變化情況。群落結(jié)構(gòu)的分析可在任一分類(lèi)水平進(jìn)行,結(jié)果可以柱狀圖、餅圖等形式呈現(xiàn)(圖4-5)。
圖4-5 各樣品群落分布柱狀圖
6. 分類(lèi)學(xué)樹(shù)狀圖
NCBI提供了已有的微生物物種的分類(lèi)學(xué)信息數(shù)據(jù)庫(kù)(數(shù)據(jù)庫(kù)文件下載地址:ftp://ftp.ncbi.nih.gov/pub/taxonomy/)。根據(jù)這些信息,可以構(gòu)建出微生物的分類(lèi)學(xué)進(jìn)化關(guān)系樹(shù)。在前述分類(lèi)學(xué)分析中,已經(jīng)得到了每個(gè)OTU的分類(lèi)學(xué)信息。在此基礎(chǔ)上,可以得到每條序列的分類(lèi)學(xué)信息情況。將這些信息回歸至分類(lèi)學(xué)進(jìn)化關(guān)系樹(shù),便可以全面了解環(huán)境樣品中的微生物進(jìn)化關(guān)系。
分析結(jié)果是以樹(shù)狀圖形式表示的。圖中的支點(diǎn)表示該處在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中有相應(yīng)的Taxonomy記錄,支點(diǎn)附近有該英文名稱(chēng)拼寫(xiě)。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)有所不同,樹(shù)狀圖的枝長(zhǎng)并不代表進(jìn)化時(shí)間(圖4-6)。
圖4-6 單樣品分類(lèi)學(xué)樹(shù)狀圖
7. 多樣品相似度對(duì)比
比較多個(gè)樣品的OTU差異及各OTU中含有序列的多少,可以得到這些樣品的相似關(guān)系(圖4-7)。
圖4-7 多樣品相似度樹(shù)狀圖
8. 樣品OTU分布比較——VENN圖
統(tǒng)計(jì)多個(gè)樣品中所共有的OTU數(shù)目可以反應(yīng)環(huán)境樣品的相似及重疊情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果以venn圖形式表示。在圖中,如果兩個(gè)不同顏色圓圈重疊的區(qū)域標(biāo)注有數(shù)字100,說(shuō)明這兩個(gè)樣品均有序列被劃分入相同的OTU中,且這樣的OTU有100個(gè)。通常情況下,分析時(shí)選用相似水平為97%的OTU,此時(shí)OTU的數(shù)目也可以代表菌種的數(shù)目(圖4-8)。
圖4-8 文氏圖比較各樣品間OUT的差別
9. 顯著性差異(differentially abundant features)分析
分析多個(gè)樣品時(shí),如果這些樣品分屬于兩個(gè)不同的組,則可以進(jìn)行Metastats分析。該分析通過(guò)對(duì)比兩組條件下的多個(gè)樣品,找出兩者之間有明顯差異性表達(dá)的微生物。主要分析指數(shù):均值(mean);方差(variance);標(biāo)準(zhǔn)差(standard);P值(P value);q值(q value,指本次計(jì)算可信度)。
10. Heatmap
Heatmap可以用顏色變化來(lái)反映二維矩陣或表格中的數(shù)據(jù)信息,它可以直觀地將數(shù)據(jù)值的大小以定義的顏色深淺表示出來(lái)。常根據(jù)需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi),將聚類(lèi)后的數(shù)據(jù)表示在heatmap圖上,通過(guò)顏色的梯度及相似程度來(lái)反映數(shù)據(jù)的相似性和差異性。如在屬水平上對(duì)樣品和OTU類(lèi)型(樣品所含菌屬)進(jìn)行聚類(lèi)(依據(jù)是不同樣品中各OTU所含序列數(shù)越相近,即所含菌屬數(shù)量越相近,樣品間相似性越高),對(duì)聚類(lèi)后各樣品中不同OTU(不同菌屬)所含序列的豐度作heatmap圖,能夠反映出在菌屬水平上各樣品菌落結(jié)構(gòu)的相似性和差異性(圖4-9)。
圖4-9 各樣品heatmap圖
11. PCA分析(principal component analysis)
即主成分分析,是一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析的技術(shù),這種方法可以有效地找出數(shù)據(jù)中最“主要”的元素和結(jié)構(gòu),去除噪音和冗余,將原有的復(fù)雜數(shù)據(jù)降維,揭示隱藏在復(fù)雜數(shù)據(jù)背后的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。可以用PCA來(lái)分析不同樣品OTU組成的差異,通過(guò)方差分解,將多組數(shù)據(jù)的差異反映在二維坐標(biāo)圖上,坐標(biāo)軸各取能夠最大反映方差值的兩個(gè)特征值。若樣品組成越相似,反映在PCA圖中的距離越近(圖4-10)。PCA可以用來(lái)做以下分析:確定環(huán)境中的樣品是否具有顯著不同的微生物群落;將環(huán)境間的差異以圖的形式表現(xiàn)出來(lái)等。
圖4-10 PCA分析得到的基于PC1和PC2的賦值樣本分布圖
12. RDA/CCA分析
RDA或者CCA是基于對(duì)應(yīng)分析發(fā)展而來(lái)的一種排序方法,將對(duì)應(yīng)分析與多元回歸分析相結(jié)合,每一步計(jì)算均與環(huán)境因子進(jìn)行回歸,又稱(chēng)多元直接梯度分析。此分析是主要用來(lái)反映菌群與環(huán)境因子之間關(guān)系。RDA是基于線性模型,CCA是基于單峰模型。圖標(biāo)注釋?zhuān)杭^表示環(huán)境因子,箭頭所處的象限表示環(huán)境因子與排序軸之間的正負(fù)相關(guān)性,箭頭連線的長(zhǎng)度代表著某個(gè)環(huán)境因子與研究對(duì)象分布相關(guān)程度的大小,連線越長(zhǎng),代表這個(gè)環(huán)境因子對(duì)研究對(duì)象的分布影響越大。箭頭連線與排序軸的夾角代表著某個(gè)環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)性大小,夾角越小,相關(guān)性越高(圖4-11)。
圖4-11 RDA/CCA分析

四、正常菌群的分子進(jìn)化分類(lèi)

由于宏基因組學(xué)研究進(jìn)展,對(duì)正常微生物群出現(xiàn)了根據(jù)其分子進(jìn)化為基礎(chǔ)的分類(lèi)方法,即分子分類(lèi)(molecular species),也稱(chēng)為進(jìn)化型(phylotypes)。目前已知人類(lèi)腸道微生物中有60%以上是目前技術(shù)無(wú)法成功培養(yǎng)的,其種類(lèi)達(dá)1000~1150種,分屬于7個(gè)菌門(mén),其中厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)占95%以上,其他菌門(mén)所占的比例均比較少,腸道菌群的分子進(jìn)化分類(lèi)見(jiàn)圖4-12。
1. 厚壁菌門(mén)
厚壁菌門(mén)( Firmicutes)(65.0%~79.4%)是一大類(lèi)細(xì)菌,多數(shù)為革蘭陽(yáng)性,包括芽孢桿菌屬( Bacillus),李斯特菌屬( Listeria),葡萄球菌屬( Staphylococcus),腸球菌屬( Enterococcus),乳桿菌屬( Lactobacillus),乳球菌屬( Lactococcus),明串珠菌屬( Leuconostoc),鏈球菌屬( Streptococcus),梭菌屬( Clostridium)和優(yōu)桿菌屬( Eubacterium)等。
2. 擬桿菌門(mén)
擬桿菌門(mén)( Bacteroidetes)(16.9%~ 32.0%)包括擬桿菌屬( Bacteroides)、黃桿菌綱。
3. 放線菌門(mén)
放線菌門(mén)( Actinobacteria)(2.5%)為革蘭陽(yáng)性細(xì)菌,包括雙歧桿菌屬( Bifidobacterium)和微球菌屬( Micrococcus)等。
4. 變形菌門(mén)
變形菌門(mén)( ProteobacteriaPhylum Proteobacteria)(1.0%)是細(xì)菌中最大的一門(mén),均為革蘭陰性菌,包括大多數(shù)腸道致病菌,如埃希菌屬、沙門(mén)菌屬、克雷伯菌屬、志賀菌屬、結(jié)腸耶爾森菌屬、假單胞菌屬、弧菌屬等。
5. 梭桿菌門(mén)
梭桿菌門(mén)( Fusobacteria)(<0.1%)是一個(gè)小類(lèi)群的革蘭陰性細(xì)菌,包括梭桿菌屬( Fusobacterium)等。
6. 疣微球菌門(mén)
疣微球菌門(mén)( Verrucomicrobia)(0.1%)包括疣微菌屬( Verrucomicrobium)和突柄桿菌屬( Prosthecobacter)。
7. 藍(lán)細(xì)菌門(mén)
藍(lán)細(xì)菌門(mén)( Cyanobacteria)(<0.1%)。
圖4-12 腸道菌群的分子進(jìn)化分類(lèi)
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