宏基因组和宏蛋白组

Metaproteomics
Metametabolomics
宏基因组（Metagenomics)
• • 以各种环境样品中的微生物群体基因组为研究对象， 包含了可培养的和未可培养的微生 物的基因，目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。 以揭示微生物多样性、 种群结构、 进化关系、 功能活性、 相互协作关系及与环境之间 的关系
环境微生物群落多样性分析
• 环境微生物群落多样性分析，
– 利用高通量测序平台，对核糖体RNA高变区域，比如16S/18S/ITS等序列；或直系 同源的功能基因，比如细菌和古菌的氨氧化酶基因进行测序。从而揭示研究对象 环境中的微生物群落的物种组成、相对丰度、群落类型以及进化关系，是宏基因 组测序的有效补充。
(1)可以捕捉新的功能基因和代谢途径； (2)鉴定与特异胁迫有关的蛋白。蛋白质组学联合宏基因组数据可以更好地揭示环境群落分类多样 性、功能多样性和生物过程。
目前成熟的蛋白组研究手段为宏蛋白组研究提供了可靠的工具 • • • • 2DGE-LC-MS 2DLC-MS Itraq Labelfree
宏蛋白组的研究现状
宏蛋白组研究
在后基因组时代，微生物群落分析的一个主要的挑战就是阐述宏基因组的功能，并把微生物群落遗传结 构和它们的功能多样性联系起来。 • • • 前面所述的宏基因组学受测序条件以及基因组本身的性质所限，阐述群落功能的能力不足； 通过16s/18s/ITS的环境微生物多样性分析方式无法直接揭示功能及相互作用； 微生物群落功能也能通过转录组学(Metranscriptome)的方法研究，即提取环境样品中的所有微生物
宏蛋白组的研究现状
Integrated metagenomic and metaproteomic analyses of marine biofilm communities Dagmar H. Leary et al 2015 Biofouling, 2014 Vol. 30, No. 10, 1211–1223
宏蛋白组研究的意义
自然界的微生物群落是极其复杂的动态系统，在后基因组时代，基于核酸分析的方法(诸如 Metagenome)不能够揭示微生物群落的原位功能。大规模研究生境在中微生物表达蛋白 (Metaproteome)能提供微生物在生态系统中的功能信息，它有望把微生物群落的遗传和功 能多样性联系起来，更具体地说，对于不同环境的Metaproteomics的分析：
从宏基因组到宏蛋白组
邦菲生物技术部
前言
Systems Biology
Function
Gene
mRNA
protein
metabolites
-omics
Genomics
Transcriptomics
Proteomics
Metabolomics
Meta-
Metagenomics
Metatranscriptomics
Metaproteomics of soils from semiarid environment: Functional and phylogenetic information obtained with different protein extraction methods F. Bastida et al.2014 Journal of Proteomics 1 0 1 ( 2 0 1 4 ) 3 1 – 4 2
Environmental proteomics of microbial plankton in a highly productive coastal upwelling system Sarah M Sowell et al.2011 The ISME Journal (2011) 5, 856–865
高通量测序加速宏基因组
于高通量测序的宏基因组研究无需构建克隆文库，这避免了文库构建过程中利 用宿主菌对样品进行克隆而引起的系统偏差，简化了实验操作，提高了测序效 率，从而极大地促进了宏基因组学的发展。 对于环境中大量非培养的样本直接进行测序，避免许 多无法微生物株系难以纯化培养用于鉴定的弊端
狭义宏基因组测序
本文通过宏蛋白组学方法，揭示了贫 瘠土壤与肥沃土壤中微生物种群的不 同生物学功能： 1. 种群结构趋向一致 2. 贫瘠土壤中基因功能偏向于C源和N 源的固定 3. 肥沃土壤基因功能偏向于对腐殖质 的分解利用
作者认为宏蛋白组学能够有效 的揭示不同环境下土壤微生物 群落功能的异质性，不同的生 化趋势，不同的生物地理特征
• 宏基因组测序 － 即利用测序技术对环境样品中全部微生物的基因组进行测定，以 分析微生物群体的基因组成及功能，解读微生物群体的多样性和 丰度，探索微生物与环境及宿主之间的关系
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•
现有的高通量测序技术平台在 高覆盖率、长读长和读序精度 上的矛盾，限制了宏基因组测 序在微生物群体基因组成、多 样性分析方面的能力； 且在物种分类菲、丰度以及进 化关系方面的能力不足
• 无需培养分离菌群：
直接从环境样本中扩增核糖体rDNA高变区进行测序，解决了 大部分菌株不可培养的难题。
• 客观还原菌群结构：
专业、成熟、稳定的样本制备流程，严格控制PCR循环数， 客观还原样品本身的菌群结构及丰度比例。
• 痕量菌检测：
充分发挥高通量测序的大数据量优势，能检测出丰度低至万 分之一的痕量菌。
的RNA。然而，由于RNA的半衰期较短，在抽提过程中难以去除腐殖质，相似基因在不同群体中有
不同的转录动态，RNA和蛋白质的低相关性，这些阻碍了Metranscriptome在微生物群落研究中的应 用。 正是这些限制，才使蛋白质组学的方法逐步在微生物群落研究中开始得到应用。 环境蛋白质组学(Metaproteomics)最初由Wilmes和Bond 命名，指大规模鉴定给定时间和地点的环境样品 的整个蛋白组分。基本程序包括：环境中总蛋白的提取、通过一维或二维凝胶电泳或HPLC对蛋白进行分 离、质谱分析、数据统计分析将群落遗传结构与功能结构联系起来，同时也可鉴定蛋白进行反向遗传学 研究。
本文作者追踪研究了执行不同海 域任务军舰的壳体水线的生物膜 中的微生物群落物种丰度及功能 特性，阐述了微生物群落在不同 的物理、化学、地理和季节因素 下的变化和特性； 研究方式整合了宏基因组分析和 宏蛋白组分析的研究方案，为 meta-omics研究模式提供了很好 的范例。
宏蛋白组的研究现状
作者运用宏蛋白组学手段对海洋水 体浮游微生物的主体成分，主要功 能类型进行分析 在富营养体系中，单碳化合物是其 主要的生物地球化学特征。
环境微生物群落多样性分析测序区域
环境微生物群落多样性分析测序
稀 释 性 曲 线
Shannon
Rank Abundance
物 种 累 曲 线
环境微生物群落多样性分析测序
环境微生物群落多样性分析测序
环境微生物群落多样性分析测序
环境微生物群落多样性分析测序的研究特性 • 有效的对微生物群落进行分类，物种组成以及进 化关系的分析。 • 揭示不同环境下微生物群落的组成差异 • 不适用于研究微生物种群的生化特性、功能特性 ，基因组成，与环境或宿主的相互作用。 • 无法解释不同环境胁迫下微生物种群的功能特性 变化。
宏蛋白组的研究现状wenku.baidu.com
通过宏蛋白组学揭 示冬季和夏季南极 半岛海岸表面水体 中浮游微生物的种 群区别、功能差异 ，尤其是代谢方式 差异
A metaproteomic assessment of winter and summer bacterioplankton from Antarctic Peninsula coastal surface waters Timothy J Williams et al. 2012 The ISME Journal (2012) 6, 1883–1900