宏基因組(Metagenomics)，也稱元基因組，利用新一代高通量測(cè)序技術(shù)( NGS)以特定環(huán)境下微生物群體基因組為研究對(duì)象，在分析微生物多樣性、種群結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步探究微生物群體功能活性、相互協(xié)作關(guān)系及與環(huán)境之間的關(guān)系，發(fā)掘潛在的生物學(xué)意義。與傳統(tǒng)微生物研究方法相比，宏基因組測(cè)序技術(shù)規(guī)避了絕大部分微生物不能培養(yǎng)、痕量菌無(wú)法檢測(cè)的缺點(diǎn)，因此近年來(lái)在環(huán)境微生物學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)
通量高，擁有標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室和高通量測(cè)序平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)可靠
可檢測(cè)不可培養(yǎng)物種，可檢測(cè)痕量微生物
專業(yè)的生物信息團(tuán)隊(duì)，可以滿足個(gè)性化的生物信息分析要求

技術(shù)路線
 
技術(shù)參數(shù)

樣本要求
土壤：10 g/sample
糞便：3-5 g/sample
血液：10 mL/sample
污泥/沉積物：5-10 g/sample
DNA：總量≥1 ug，濃度≥100 ng/uL

檢測(cè)平臺(tái)
測(cè)序平臺(tái)：Illumina Nova Seq 6000
測(cè)序方法：PE150
測(cè)序深度：6G/10G/12G

常規(guī)項(xiàng)目周期
實(shí)驗(yàn)檢測(cè):：21個(gè)自然日
數(shù)據(jù)分析：21個(gè)自然日

應(yīng)用方向
1.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：代謝病研究、腫瘤癌癥研究等
2.畜牧領(lǐng)域：腸道、瘤胃(如產(chǎn)甲烷菌類群)與動(dòng)物健康/營(yíng)養(yǎng)消化研究等
3.農(nóng)業(yè)領(lǐng)域：根據(jù)微生物與植物互作、農(nóng)業(yè)耕作/施肥處理與土壤微生物群落研究等
4.環(huán)境領(lǐng)域：霧霾處理、污水治理、石油降解、酸性礦水處理及海洋環(huán)境研究等
5.生物能源：特殊功能的菌株、基因挖掘、工程菌的開發(fā)研究
6.特殊極端環(huán)境：極端環(huán)境條件下的微生物類群研究

案例分析
 
宏基因組和代謝組分析揭示腸道菌群明顯的結(jié)直腸癌階段性特異表型
研究對(duì)象：人
期刊：Nature Medicine
影響因子：36.13
時(shí)間：2019年

1.研究背景
大多數(shù)散發(fā)性結(jié)直腸癌的發(fā)生是多步過(guò)程，首先形成息肉樣腺瘤，然后發(fā)展為粘膜內(nèi)癌，最后發(fā)展為惡性腫瘤，其形成需要?dú)v經(jīng)幾十年的時(shí)間，早期癌癥的發(fā)現(xiàn)和內(nèi)鏡切除是癌癥控制有效手段，腸道菌群與結(jié)直腸癌的發(fā)生有密切關(guān)系。

2.研究結(jié)果
基于宏基因組和代謝組研究平臺(tái)，對(duì)來(lái)自大隊(duì)列CRC中的616名和406名樣本分別進(jìn)行了糞便宏基因組和代謝組學(xué)研究，獲得不同階段(MP,S0,Sl /SIl,II/SIV,HS)病例特異性表型的微生物(Atopobiumparvulum和B.wadsworthia等)和代謝(氨基酸和膽汁酸等)標(biāo)志物；且進(jìn)一步探索個(gè)體直腸癌患者的腸道微生物組與腫瘤與特征之間的關(guān)系。

3.結(jié)果展示
（1）宏基因組和代謝組分析
宏基因組分析首先發(fā)現(xiàn)Bacteroides和Prevotella是所有受試者和健康對(duì)照中變化最大的菌。進(jìn)一步的研究還確定了與CRC關(guān)聯(lián)的新物種，其中Colinsella aerofaciens,Dorealongicatena,Porphyro-monasuenonis和Streptococcus anginosus等在III/IV中顯著升高。代謝組分析發(fā)現(xiàn)，大腸中主要能源物質(zhì)丙酸鹽和丁酸鹽是含量最高的兩種代謝物，二氫尿嘧啶和尿素也存在較大差異。與健康對(duì)照組相比，MP中DCA(脫氧膽酸鹽)濃度顯著升高；SO中甘氨膽酸鹽和牛磺膽酸鹽濃度顯著升高；支鏈氨基酸，苯丙氨酸，酪氨酸，甘氨酸，絲氨酸濃度也升高。
 
（2）功能分析和標(biāo)志物篩選
基于KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)篩選出1243個(gè)同源基因(KO基因）在至少一個(gè)階段顯著升高，96個(gè)KO基因在至少一個(gè)階段顯著降低。在差異最顯著的通路中，芳香族氨基酸代謝和產(chǎn)硫化物的通路與CRC相關(guān)。參與苯丙氨酸和酪氨酸合成的基因顯著升高，其中pheC被確定為區(qū)分S0患者和健康對(duì)照的得分最高標(biāo)志物。通過(guò)構(gòu)建隨機(jī)森林和LASSO邏輯回歸模型來(lái)區(qū)分健康對(duì)照與SO和SIII/IV。在S0分類中，特征值是包括編碼環(huán)己二烯基脫水酶的pheC的KO基因；在SIII/IV分類中，特征值為已被確認(rèn)為CRC標(biāo)志物的P.micraP.stomatis和 F.nucleatum等口腔厭氧菌。
 
（3）結(jié)果驗(yàn)證和潛在機(jī)制
對(duì)28名CRC患者（SI /II和SIII /IV)術(shù)前和術(shù)后1年的糞便樣品進(jìn)行宏基因組測(cè)序。結(jié)果表明，腫瘤切除后P.stomatis,P.anaerobius和P.uenonis的相對(duì)豐度降低。
參考文獻(xiàn)
Yachida S et al.， Metagenomic and metabolomic analyses reveal distinct stage-specific phenotypes of the gut microbiota in colorectal cancer.Nat Med.2019 doi: 10.1038/s41591-019-0458-7.