宏基因組測序

1、宏基因組測序目的研究藻類物種的分類，研究與特定環(huán)境與相關(guān)的代謝通路，以及通過不同樣品的比較研究微生物內(nèi)部，微生物與環(huán)境，與宿主的關(guān)系。技術(shù)簡介宏基因組 ( Metagenome)(也稱微生物環(huán)境基因組 Microbial Environmental Genome, 或元基因組) 。是由 Handelsman 等 1998 年提出的新名詞， 其定義為"the genomes of the total microbiota found in nature" , 即生境中全部微小生物遺傳物質(zhì)的總和。它包含了可培養(yǎng)的和未可培養(yǎng)的微生物的基因， 目前主要指環(huán)境樣品中的細(xì)菌和真菌的基因

2、組總和。而所謂宏基因組學(xué) (或元基因組學(xué)， metagenomics) 就是一種以環(huán)境樣品中的微生物群體基因組為研究對象， 以功能基因篩選和/或測序分析為研究手段， 以微生物多樣性、 種群結(jié)構(gòu)、 進(jìn)化關(guān)系、 功能活性、 相互協(xié)作關(guān)系及與環(huán)境之間的關(guān)系為研究目的的新的微生物研究方法。一般包括從環(huán)境樣品中提取基因組 DNA, 進(jìn)行高通量測序分析，或克隆DNA到合適的載體，導(dǎo)入宿主菌體，篩選目的轉(zhuǎn)化子等工作。宏基因組 ( Metagenome)(也稱微生物環(huán)境基因組 Microbial Environmental Genome, 或元基因組) 。是由 Handelsman 等 1998 年提出的新名

3、詞， 其定義為"the genomes of the total microbiota found in nature" , 即生境中全部微小生物遺傳物質(zhì)的總和。它包含了可培養(yǎng)的和未可培養(yǎng)的微生物的基因， 目前主要指環(huán)境樣品中的細(xì)菌和真菌的基因組總和。而所謂宏基因組學(xué) (或元基因組學(xué)， metagenomics) 就是一種以環(huán)境樣品中的微生物群體基因組為研究對象， 以功能基因篩選和/或測序分析為研究手段， 以微生物多樣性、 種群結(jié)構(gòu)、 進(jìn)化關(guān)系、 功能活性、 相互協(xié)作關(guān)系及與環(huán)境之間的關(guān)系為研究目的的新的微生物研究方法。一般包括從環(huán)境樣品中提取基因組 DNA, 進(jìn)行高通量測

4、序分析，或克隆DNA到合適的載體，導(dǎo)入宿主菌體，篩選目的轉(zhuǎn)化子等工作。特定生物種基因組研究使人們的認(rèn)識單元實(shí)現(xiàn)了從單一基因到基因集合的轉(zhuǎn)變，宏基因組研究將使人們擺脫物種界限，揭示更高更復(fù)雜層次上的生命運(yùn)動規(guī)律。在目前的基因結(jié)構(gòu)功能認(rèn)識和基因操作技術(shù)背景下，細(xì)菌宏基因組成為研究和開發(fā)的主要對象。細(xì)菌宏基因組細(xì)菌人工染色體文庫篩選和基因系統(tǒng)學(xué)分析使研究者能更有效地開發(fā)細(xì)菌基因資源，更深入地洞察細(xì)菌多樣性。如宏基因組成為生物催化劑的新來源。宏基因組學(xué)研究的策略和基本過程研究策略“宏基因組學(xué)”是一種整體性的研究策略，它建立在微生物基因組學(xué)的迅速發(fā)展和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)之上，是一種不依賴于人工

5、培養(yǎng)的微生物基因組分析技術(shù)，涵蓋了生物信息統(tǒng)計(jì)分析和基因組兩方面的意義和技術(shù)，其策略是從特定環(huán)境中直接分離所有微生物DNA，將大片段的DNA克隆到受體菌中表達(dá)，然后根據(jù)某些生物活性篩選有應(yīng)用價(jià)值的克隆。包括兩個(gè)方面920：宏基因組文庫的構(gòu)建：宏基因組文庫的構(gòu)建沿用了分子克隆的基本原理和技術(shù)方法，并根據(jù)具體環(huán)境樣品的特點(diǎn)和建庫目的采用了一些特殊的步驟和對策。一般包括樣品總DNA 的提取、與載體連接和在宿主細(xì)胞建立中克隆17。宏基因組文庫的篩選：根據(jù)其研究目的，宏基因組文庫篩選通常有功能篩選(functional screening)和序列篩選(sequence based screening)兩

6、種方法。2宏基因組學(xué)的研究步驟基因組學(xué)的研究過程，一般包括從環(huán)境樣品中提取基因組DNA，克隆DNA 到合適的載體，導(dǎo)入宿主菌體，篩選目的克隆等4個(gè)步驟。特別要指出的是，在基因組學(xué)研究領(lǐng)域中，其研究目標(biāo)通常是測定單一物種的基因組序列；而在宏基因組學(xué)中，則是要測定由多種微生物組成的復(fù)雜群體(community)的混合基因組序列。這種差別的關(guān)鍵就是，絕大多數(shù)細(xì)菌是不可培養(yǎng)的，因此沒有足夠的研究材料。2.1 分離特定環(huán)境生物DNA方法上不同于傳統(tǒng)的先培養(yǎng)微生物再提取DNA的做法，而是首先直接收集能夠代表特定生物環(huán)境生物多樣性的樣品；然后利用各種理化方法破碎微生物，使其釋放DNA，再利用密度梯度離心等方

7、法進(jìn)行分離純化。2.2 純化的大分子量DNA進(jìn)行克隆在對DNA 酶切或者超聲打斷處理，并與合適的載體DNA 進(jìn)行連接，構(gòu)建重組體。2.3 將帶有宏基因組DNA的載體通過轉(zhuǎn)化方式轉(zhuǎn)入模式微生物建立各自的無性繁殖系例如轉(zhuǎn)入大腸埃希菌中，使那些以前無法研究的不可培養(yǎng)微生物的DNA 在模式微生物中得到復(fù)制、表達(dá)，進(jìn)而得到研究。所有帶有宏基因組DNA 載體的模式微生物克隆構(gòu)成宏基因組文庫。2.4 對宏基因組文庫的DNA 進(jìn)行分析基于不同的研究目的，有很多分析方法，主要分為兩類：一類為表型功能篩選，即利用模式微生物表型的變化篩選某些目的基因。例如從文庫中篩選能表達(dá)抗菌物質(zhì)的克隆。功能分析法根據(jù)重組克隆產(chǎn)生

8、的新活性進(jìn)行篩選，可用于檢測編碼新型酶的全部新基因或者獲取新的生物活性物質(zhì)。另一類為序列基因型分析，即對文庫中所有或部分的DNA 進(jìn)行測序分析，以應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究。例如分析文庫中16SrRNA序列，對所研究生態(tài)環(huán)境的多樣性進(jìn)行評估。一個(gè)典型的宏基因組分析涉及多個(gè)輪次，以確保從生態(tài)環(huán)境標(biāo)本中分離到目的基因，及盡可能多地分析DNA序列所編碼的信息。3 宏基因組學(xué)的技術(shù)方法宏基因組學(xué)是一種以環(huán)境樣品中的微生物群體基因組為研究對象，以功能基因篩選和測序分析為研究手段，以微生物多樣性、種群結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系、功能活性、相互協(xié)作關(guān)系及與環(huán)境之間的關(guān)系為研究目的的新的微生物研究方法。宏基因組學(xué)的研究策略和方法大

9、致相同，現(xiàn)按照宏基因組學(xué)研究的基本過程和策略對常用方法和技術(shù)予以簡要介紹。3.1 樣品總DNA的提取及基因或基因組DNA的富集提取的樣品DNA必須可以代表特定環(huán)境中微生物的種類，盡可能代表自然狀態(tài)下的微生物原貌，獲得高質(zhì)量環(huán)境樣品中的總DNA是宏基因組文庫構(gòu)建的關(guān)鍵之一。要采用合適的方法，既要盡可能地完全抽提出環(huán)境樣品中的DNA，又要保持較大的片段以獲得完整的目的基因或基因簇45。所以總的提取總是在最大提取量和最小剪切力之間折中。應(yīng)嚴(yán)格操作，謹(jǐn)防污染，并且保持DNA 片段的完整和純度。已有許多商品化宏基因組DNA提取試劑盒可用，同時(shí)很多實(shí)驗(yàn)室仍致力于宏基因組DNA提取方法的改進(jìn)68。常用的提取

10、方法有直接裂解法和間接提取法(細(xì)胞提取法)。直接裂解法是將環(huán)境樣品直接懸浮在裂解緩沖液中處理，繼而抽提純化，包括物理法(如凍融法、超聲法、玻璃珠擊打法、液氮研磨法等)和化學(xué)法、酶法等。不同直接裂解法的提取方法差別在于細(xì)胞破壁的方式不同。此法操作容易、成本低、DNA提取率高、重復(fù)性好，但由于強(qiáng)烈的機(jī)械剪切作用，所提取的DNA片段較小(1-50kb)，難以完全去除酚類物質(zhì)。細(xì)胞提取法先采用物理方法將微生物細(xì)胞從環(huán)境中分離出來，然后采用較溫和的方法抽提DNA，如先采用密度梯度離心分離微生物細(xì)胞，然后包埋在低熔點(diǎn)瓊脂糖中裂解，脈沖場凝膠電泳回收DNA。此法可獲得大片段DNA(20-500kb)且純度高

11、，但操作繁瑣，成本高，有些微生物在分離過程中可能丟失，溫和條件下一些細(xì)胞壁較厚的微生物DNA也不容易抽提出來。為了更好地反映環(huán)境中的微生物種群并且提高陽性克隆的占有率，需要在克隆之前通過不同的方法對感興趣的目的基因或基因組進(jìn)行富集911，一個(gè)比較好的富集方法是穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)12。抑制性消減雜交技術(shù)13是抑制性與消減雜交技術(shù)相結(jié)合的更簡單、更快速的分離差異基因的方法。該方法不僅利用了消減雜交技術(shù)的消減富集，同時(shí)也利用了抑制性技術(shù)進(jìn)行了高效率的動力學(xué)富集，所以該技術(shù)是一項(xiàng)富集特定基因、證實(shí)微生物之間基因不同的非常有用的技術(shù)方法。3.2 宏基因組文庫的建立宏基因組文庫的構(gòu)建策略取決于研究的整體目

12、標(biāo)。偏重于低拷貝、低豐度基因還是高拷貝、高豐度基因要取決于研究的目的是單個(gè)基因或基因產(chǎn)物還是整個(gè)操縱子及編碼不同代謝途徑的基因簇?；蛭膸斓慕⑦^程中需要選擇合適的克隆載體和宿主菌株。傳統(tǒng)的方法是直接利用表達(dá)載體構(gòu)建宏基因文庫，但是表達(dá)載體可插人的宏基因片段一般小于10kb?？寺≈兴拗骶甑倪x擇主要考慮到轉(zhuǎn)化效率、宏基因的表達(dá)、重組載體在宿主細(xì)胞中的穩(wěn)定性以及目標(biāo)性狀的篩選等。目前大腸桿菌是最為常用的宿主14，此外，鏈霉菌和假單胞菌也可以作為構(gòu)建文庫的宿主，不同微生物種類所產(chǎn)生的活性物質(zhì)有明顯差異，不同的研究目標(biāo)應(yīng)選擇不同的宿主菌株。3.3 宏基因組文庫的篩選由于環(huán)境基因組的高度復(fù)雜性，需要通

13、過高通量和高靈敏度的方法來篩選和鑒定文庫中的有用基因。篩選技術(shù)大致可分為四類:基于核酸序列差異分析；基于目的克隆功能的特殊代謝活性；基于底物誘導(dǎo)基因的表達(dá)；基于包括穩(wěn)定性同位素和熒光原位雜交在內(nèi)的其他技術(shù)。.3.1 基于序列的篩選方法通常根據(jù)已知相關(guān)功能基因的保守序列設(shè)計(jì)探針或PCR引物，通過雜交或PCR擴(kuò)增篩選陽性克隆。用這種方法有可能篩選到某一類與已知序列相近的新基因，這一策略可以分離已知基因家族的新成員和含有高度保守區(qū)的酶基因1516。另一種方法是對含有16S rRNA等系統(tǒng)進(jìn)化錨定基因的克隆進(jìn)行測序或?qū)ξ膸祀S機(jī)測序17。優(yōu)點(diǎn)是不必依賴宿主菌株來表達(dá)克隆基因，缺點(diǎn)是必須對相關(guān)基因序列有一

14、定的了解，文庫中那些和現(xiàn)有基因序列完全不一樣的基因無法被篩選，故難以發(fā)現(xiàn)全新的活性物質(zhì)，對鑒定新的基因成員有一定的局限性，也很難獲得全序列。直接序列分析法(sequencedriven screening method)是對所構(gòu)建宏基因組文庫的克隆進(jìn)行隨機(jī)測序分析，顯然可以得到最多的信息1820。也可用鳥槍法對宏基因組文庫進(jìn)行測序，但需要進(jìn)行大量的測序和分析工作，需大量人力、物力及財(cái)力。雖然DNA序列分析技術(shù)不斷發(fā)展，但與個(gè)體微生物基因相比，宏基因組文庫包含著巨大的序列片段，但對這些序列片段進(jìn)行后續(xù)的分析則極為困難，結(jié)合其他的篩選方法可以得到更多的信息。用微陣列技術(shù)(基因芯片)進(jìn)行初步篩選，可

15、以很大程度上減少測序量和后續(xù)的序列拼接等工作量。但微陣列技術(shù)在用于宏基因組文庫篩選時(shí)，除了其本身由于交互雜交等導(dǎo)致的特異性低、靈敏度較差等缺點(diǎn)外，同樣不能用于對未知功能基因的篩選，且檢測不到環(huán)境中存在的那些低豐度微生物的序列2122。3.3.2 基于功能的篩選方法功能性篩選法是以活性測定為基礎(chǔ)，通過建立和優(yōu)化合適的方法從基因組文庫中獲得具有特殊功能的克隆，然后通過序列和生化分析研究這些克隆。由于基于活性的篩選不需要已知序列的信息，故能較快地找到可用于工農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥的蛋白質(zhì)和天然產(chǎn)物。功能性篩選的方法有兩種，一種是對具有特殊功能的克隆子進(jìn)行直接檢測，如利用其在選擇性培養(yǎng)基上(如含有化學(xué)染料和不可溶

16、的或發(fā)光的酶反應(yīng)底物)的表型特征進(jìn)行篩選23。這種方法具有較高的靈敏度，可檢測到較少的目的克隆。另一種方法是基于異源基因的宿主菌株與其突變體在選擇性條件下功能互補(bǔ)生長的特性進(jìn)行24。功能性篩選法的優(yōu)點(diǎn)是篩選過程比較簡單、快速，只要基因能表達(dá)，就可以根據(jù)基因表達(dá)特性進(jìn)行篩選，不需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程。不足之處是這種篩選方法依賴于目的基因在新的宿主中表達(dá)，但使用模式微生物并不能把所有的宏基因組DNA表達(dá)出來，而且要求克隆到基因或基因簇的全長，一旦克隆過程中破壞基因某個(gè)組件將使得基因沒法表達(dá)，也就不能根據(jù)功能進(jìn)行篩選，故檢出的概率很低，工作量大，往往從上萬個(gè)克隆中只能篩選到幾個(gè)有用的克隆。3.3.3 底

17、物誘導(dǎo)基因表達(dá)篩選(substrateinduced geneexpression screening, SIGEX)SIGEX是用于能利用各種底物誘導(dǎo)的分解代謝型基因的檢出，并結(jié)合生物發(fā)光技術(shù)用來篩選代謝相關(guān)基因及酶基因25。由于編碼相關(guān)代謝基因或酶基因通常呈簇存在，通常與該物質(zhì)誘導(dǎo)的啟動子和同源轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列毗鄰，往往在有底物誘導(dǎo)的條件下才表達(dá)，反之則不表達(dá)。首先構(gòu)建一個(gè)含有綠色熒光蛋白(GFP)的表達(dá)載體，這個(gè)載體可將宏基因組DNA克隆到GFP基因上游，使該基因的表達(dá)受到宏基因組DNA片段中的啟動子調(diào)控。當(dāng)外加目標(biāo)底物時(shí)，可以影響GFP的表達(dá)，進(jìn)而通過活細(xì)胞熒光分離技術(shù)(fluoresce

18、nce activated cell sorting, FACS)，在添加特定底物的條件下對表達(dá)庫進(jìn)行篩選，就能夠得到對該底物具有代謝活性的克隆。SIGEX在宏基因組研究中具有很多優(yōu)勢，它提供了一個(gè)有效的和經(jīng)濟(jì)的檢測手段，大大增加了篩選的容量和效率，節(jié)省了時(shí)間，為高通量篩選提供了保障，而且不需要對在顏色篩選中使用的底物進(jìn)行修改，勿需擔(dān)心因修改底物而產(chǎn)生毒性；且可以從底物來推斷得出未知的酶，繼而推斷基因的功能。而SIGEX法的不足之處是目標(biāo)基因的結(jié)構(gòu)性和適應(yīng)性很敏感，同時(shí)，無法用于分析不能進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的底物，而且FACS對進(jìn)樣設(shè)備的要求也比較高；代謝特定底物的調(diào)控子和操縱子在位置上不一定都相鄰；同時(shí)有些基因的表達(dá)除了受底物誘導(dǎo)外，還可能受其他因子的誘導(dǎo)，而有些基因并不需要誘導(dǎo)，是本底水平表達(dá)的，有些可誘導(dǎo)基因在新的宿主中有可能不可被誘導(dǎo)表達(dá)。但是考慮到宏基因組文庫中含有大量的基因，其中必然有一部分是可誘導(dǎo)的，是可以被該技術(shù)檢測到的。所以只要對這些不足之處進(jìn)行優(yōu)化，選擇合適的條件，SIGEX法仍然是一種宏基因組文庫篩選的有效方法，尤其適合于在工業(yè)上使用26。3.3.4 基于穩(wěn)定性同位素技術(shù)篩選方法具有相同原子序數(shù)但不同中子數(shù)目且不具放射性的元素稱為穩(wěn)定同位素(stable i