宏基因组学及其技术的研究进展_楚雍烈
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, 人体的生理代谢和生 长发育不仅受自身基因控制 , 还与其他生物基因组相 关; 对疾病的易感性 、药物反应等许多现象 , 也无法全 部用人体基因差异来解释 。 已证明体内菌群的组成 和活动与人的生长发育 、生老病死息息相关 , 例如人 类胃溃疡发病机制和病因与寄生在胃里的微生物的 致病作用有关 。 因此 , 必须考虑与人类长期共生的微 生物群体对人类的影响 。 此外 , 自然界现存的物种数量以万亿计 , 包括人 类、 大量的高等动物 、 植物和微生物 。 世界上的万物是 彼此依赖 、 相互作用 、 相互制约和相互促进 , 形成共生 、 共存和协调平衡发展的欣欣向荣局面 。 要想了解生命 的起源 、 本质 、 进化和相互作用及影响 , 就必须对彼此 密切相关的生物进行各个基因组学及其相互关系的研 究 。 这种研究超越了传统意义上单一物种的基因组学 分析 , 研究对象复杂 、 范围更广而方法要更新 , 它要求 在基因学 、 基因组学的基础上有新的学科来承担这一 新的任务 。 因此 , 21 世纪人类提出了生态基因组学
收稿日期 : 2008-09 -16 修回日期 : 2008 - 11 -10 作者简介 : 楚雍 烈( 1944) , 男( 汉族) , 教授 , 博 士生导 师 . 研究方 向 : 肿瘤病毒分子遗传学与免疫生物学 . E-mail : mbiology @mail . xj tu . edu . cn
随着人类科学认识论和思维方式的深化 , 在分子 生物学和分子遗传学技术方法的支撑下 , 顺应 21 世 纪生命科学的发展 , 在基因组学的基础上诞生了一门 崭新的交叉学科 — — — 宏基因组学( met ageno mics) 。 宏基因组学的问世引起世界科学界的极大关注 , 发展 很快 , 它代表了生命学科今后的研究方向 。 本文就宏 基因组学的产生 、 概念 、 研究的基本策略和方法进行 综述 。 1 宏基因组学的产生 、 发展和概念 1. 1 宏基因组学的产生背景 人类基因组计划( hum an geno me project , HGP) 的完成促使了基因组功 能性研究计划的开展 , 并推动从结构基因组学研究时 代进入功能性基因组研究为主的后基因组时代 , 人体 基因的功能研究成为生命科学领域的研究热点 。
comm unities .Metagenomic technology is based on the study of the DNA of microbial communities in the ir natur al environments dir ectly .I ts basic str ate gy includes e xtr acting total community DNA , constructing genomic libr ary , and analyzing libr ar y with similar str ategy to f unctional genom ics .I t provides a power ful tool to help us to exploit for novel biotechnological and phar maceutic al applications . Metagenomics has de veloped r apidly and ac quir ed m any novel accomplishments including in medicine . The concept , me thodology and applica tion of metagenomics have been br ie fly r eviewe d . metagenome ; me tagenomics ; me tage nomic libr ar y constr uction ;libr ar y scree ning KEY WORDS :
[ 2-3]
的“ 宏” 所对应的英文是前缀“ m eta-” , 它源于希腊语 , 作为构词成分意思是超越 ( over rach) 、 在上 ( abo ve) 、 在外( beyo nd) 、 在后( behi nd) 等 , 它具有更高层次组 织结构和动态变化的含义 , 在 met ageno me 中有更高 级、 更复杂的意思 。 国内一般翻译为 “ 宏” 或 “ 元” , 形 象表明其涵盖范围的广泛性 。 本文采用较为普遍的 宏 基因 组/ 宏基 因 组学 译法 ( 注: 国外 有 人还 称 为 Ecogenome / Ecog enomics , 译为生态基因组/ 生态基 因组学) 。 1. 3. 1 广义宏基因组学的概念 广义宏基因组是指 特定环境下所有生物遗传物质的总和 , 它决定了生物 群体的生命现象 。 它是以生态环境中全部 DNA 作 为研究对象 , 通过克隆 、异源表达来筛选有用基因及 其产物 , 研究其功能和彼此之间的关系和相互作用 , 并揭示其规律的一门科学 。 宏基因组学使得人们摆 脱了物种界限 , 揭示了更高层次上的生命运动规律 。 1. 3. 2 狭义宏基因组学概念 狭义宏基因组学则以 生态环境中全部细菌和真菌基因组 DNA 作 为研究 对象 , 它不是采用传统的培养微生物的基因组 , 包含 了可培养和还不能培养的微生物的基因 , 通过克隆 、 异源表达来筛选有用基因及其产物 , 研究其功能和彼 此之间的关系和相互作用 , 并揭示其规律 。 如 1998 年 H andelsman 等提出土壤宏基因组学的定义是 : 土 壤微生物群体的全部基因组 , 并对其进行克隆和功能 分析
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西 安 交 通 大 学 学 报 (医 学 版 )
第 29 卷
( ecogenomics) 的概念[ 3] 。 它要求对特定环境下多种 生物的基因组进行研究 , 这将有助于揭示生命现象的 本质 , 发现新的基因和确定人类疾病的病因 。 1. 2 宏基因组学的发展与概念 宏基因组学的发展 经历了环境基因组学 、微生物基因组学 、 宏基因组学 到人类宏基因组学的阶段 。 1. 2. 1 环境基因组学的提出与发展 1991 年 P ace 首次提出环境基因组学 ( enviro nment al genomics) 的 概念 , 并在同年构建了第 一因组学) 的研究受到广泛关注
Research progress of metagenomics and its technology
Chu Yonglie , Yang E ( Depa rtment of Im munolo gy and P athogen Biolog y , Medical Schoo l of Xi an Jiaot ong Uni versit y , Xi an 710061 , Chi na) ABSTRACT : Metagenom ics is a ne w field of science applied to study gene f unction and inter action ecotype
楚雍烈 , 杨 娥
( 西安交通大学医学院免疫与病原生物系 , 陕西西安 710061) 摘要 : 宏基因组学是研究生态群体基因功能和 其相互 作用的 新科学 领域 , 以特定 生态环 境中微 小生物 遗传物 质的总 和作 为研究对象 , 基本研究策略是通过克隆 、异源表达 , 筛选出 有用的新 基因及其产 物 。 宏基因组 学为生命 学科和药 学研究提供了一个强有力的新技术 , 并在 包括医学 在内的 许多领 域取得 了新成 就 。 本述评 对宏基 因组学 的概念 、技 术和应用作了简要介绍 785 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 -8259( 2008) 06-0601-08
第 29 卷第 6 期 2 0 08 年 12 月
西 安 交 通 大 学 学 报 (医 学 版 ) Jour nal of Xi an Jiaotong University( Medical Scie nces)
Vol . 29 No . 6 Dec . 2008
◎专家述评 ◎
宏基因组学及其技术的研究进展
[ 8] [ 1] [ 3-4]
。 环境基因组学第一次提出特定生态条
件下 , 全部生物基因组总体概念 , 这是基因组学的重
。
由于狭义宏基因组学概念的对象具体 、 范围局限 和研究目标明确 , 一般文献上所提的宏基因组学 , 除 非特别指明 , 一般均指的是狭义宏基因组学 。 1. 3. 3 人类宏基因组学 人体内部或体表有数以万 亿的微生物个体存活 , 包括细菌 、古细菌 、真菌 、寄生 虫和病毒 等 。 这 些微 生物 占 人体 总 重量 的 1 % 2 %, 成人体内细胞约有 90 %为微生物细胞 , 其余约 10 % 为人体细胞 , 因此从某种意义上说一个完整 、健 康的成年人是诸多物种组成的复合体 。 人体内共生 的菌群包括肠道 、 口腔 、 呼吸道 、 生殖道等处菌群 。 其 中许多微生物对人体健康维持有重要作用 , 帮助消化 食物 , 制造维生素 。 大多微生物具有许多独特的生物 功能 , 如有些微生物具有独特功能的一些酶 , 对各种 复杂有机化合物有降解作用 , 有些微生物可以在一些 极端环境下生存等等 。 同时 , 还有一些微生物则可能 导致人体疾病 。 然而 , 目前对健康和疾病状态下这些 细菌 、真菌和其他微生物的作用还知之甚少 。 国际学 术界把多种微生物聚居在一起形成的系统叫做“ 微生 物群落” , 也称菌群 。 把人体内所有微生物菌群基因
[ 1 , 8]
。 1998 年美国国
立环境卫生科学研究所启动了环境基因组计划 ( envi ronm ent al geno me project , EGP) , 开 展有关 人体 遗传变异与环境胁迫相互关系的研究 , 引起各国科学 家的极大关注 , 标志着生命科学界将在更深层次上对 环境与基因相互作用对人类健康的影响进行系统全 面的研究 要进展 。 1. 2. 2 微生物基因组学与宏基因组学概念的提出 环境是一个相互作用的复杂体系 , 又是一个不断变化 的动态过程 , 该体系的生命与非生命的两个方面是不 断互为因果 , 相辅相承的 。 为了方便研究 , 人类把精 力集中到特定环境的微生物群体上来 。 Handelsman 等 于 1998 年提出生命研究对象应 是生物环境中全部微小生物的基因组( the genomes of the t otal microbio ta found in nature) , 首次提出针对特 定环境样品中细菌和真菌的基因组总和进行研究的这 一宏基因组( metagenome) 概念 , 指出应用宏基因组学 研究微生物复杂群落基因组的方法将成为快速发展的 领域 。 2007 年 3 月 , 美国国家科学院以“ 环境基因组学 新科学 — — —揭示微生物世界的奥秘” 为题发表咨询报 告 , 指出宏基因组学为探索微生物世界的奥秘提供新 的方法 , 这是继发明显微镜以来研究微生物方法的最 重要进展 , 将是对微生物世界认识的革命性突破 。 报 告呼吁建立全球宏基因组学研究计划 , 建议大批量启 动中小型宏基因组学研究项目 , 对自然环境微生物群 落( 如海水或土壤) 、 寄生微生物群落( 如人体肠胃或口 腔) 、 人为控制环境微生物群落( 如污水处理厂或水产 养殖厂) 等展开研究 ; 启动少量大型综合性项目 , 对宏 基因组学研究方法 、 技术路线 、 理论框架和更为复杂的 动态微生物系统进行研究
收稿日期 : 2008-09 -16 修回日期 : 2008 - 11 -10 作者简介 : 楚雍 烈( 1944) , 男( 汉族) , 教授 , 博 士生导 师 . 研究方 向 : 肿瘤病毒分子遗传学与免疫生物学 . E-mail : mbiology @mail . xj tu . edu . cn
随着人类科学认识论和思维方式的深化 , 在分子 生物学和分子遗传学技术方法的支撑下 , 顺应 21 世 纪生命科学的发展 , 在基因组学的基础上诞生了一门 崭新的交叉学科 — — — 宏基因组学( met ageno mics) 。 宏基因组学的问世引起世界科学界的极大关注 , 发展 很快 , 它代表了生命学科今后的研究方向 。 本文就宏 基因组学的产生 、 概念 、 研究的基本策略和方法进行 综述 。 1 宏基因组学的产生 、 发展和概念 1. 1 宏基因组学的产生背景 人类基因组计划( hum an geno me project , HGP) 的完成促使了基因组功 能性研究计划的开展 , 并推动从结构基因组学研究时 代进入功能性基因组研究为主的后基因组时代 , 人体 基因的功能研究成为生命科学领域的研究热点 。
comm unities .Metagenomic technology is based on the study of the DNA of microbial communities in the ir natur al environments dir ectly .I ts basic str ate gy includes e xtr acting total community DNA , constructing genomic libr ary , and analyzing libr ar y with similar str ategy to f unctional genom ics .I t provides a power ful tool to help us to exploit for novel biotechnological and phar maceutic al applications . Metagenomics has de veloped r apidly and ac quir ed m any novel accomplishments including in medicine . The concept , me thodology and applica tion of metagenomics have been br ie fly r eviewe d . metagenome ; me tagenomics ; me tage nomic libr ar y constr uction ;libr ar y scree ning KEY WORDS :
[ 2-3]
的“ 宏” 所对应的英文是前缀“ m eta-” , 它源于希腊语 , 作为构词成分意思是超越 ( over rach) 、 在上 ( abo ve) 、 在外( beyo nd) 、 在后( behi nd) 等 , 它具有更高层次组 织结构和动态变化的含义 , 在 met ageno me 中有更高 级、 更复杂的意思 。 国内一般翻译为 “ 宏” 或 “ 元” , 形 象表明其涵盖范围的广泛性 。 本文采用较为普遍的 宏 基因 组/ 宏基 因 组学 译法 ( 注: 国外 有 人还 称 为 Ecogenome / Ecog enomics , 译为生态基因组/ 生态基 因组学) 。 1. 3. 1 广义宏基因组学的概念 广义宏基因组是指 特定环境下所有生物遗传物质的总和 , 它决定了生物 群体的生命现象 。 它是以生态环境中全部 DNA 作 为研究对象 , 通过克隆 、异源表达来筛选有用基因及 其产物 , 研究其功能和彼此之间的关系和相互作用 , 并揭示其规律的一门科学 。 宏基因组学使得人们摆 脱了物种界限 , 揭示了更高层次上的生命运动规律 。 1. 3. 2 狭义宏基因组学概念 狭义宏基因组学则以 生态环境中全部细菌和真菌基因组 DNA 作 为研究 对象 , 它不是采用传统的培养微生物的基因组 , 包含 了可培养和还不能培养的微生物的基因 , 通过克隆 、 异源表达来筛选有用基因及其产物 , 研究其功能和彼 此之间的关系和相互作用 , 并揭示其规律 。 如 1998 年 H andelsman 等提出土壤宏基因组学的定义是 : 土 壤微生物群体的全部基因组 , 并对其进行克隆和功能 分析
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西 安 交 通 大 学 学 报 (医 学 版 )
第 29 卷
( ecogenomics) 的概念[ 3] 。 它要求对特定环境下多种 生物的基因组进行研究 , 这将有助于揭示生命现象的 本质 , 发现新的基因和确定人类疾病的病因 。 1. 2 宏基因组学的发展与概念 宏基因组学的发展 经历了环境基因组学 、微生物基因组学 、 宏基因组学 到人类宏基因组学的阶段 。 1. 2. 1 环境基因组学的提出与发展 1991 年 P ace 首次提出环境基因组学 ( enviro nment al genomics) 的 概念 , 并在同年构建了第 一因组学) 的研究受到广泛关注
Research progress of metagenomics and its technology
Chu Yonglie , Yang E ( Depa rtment of Im munolo gy and P athogen Biolog y , Medical Schoo l of Xi an Jiaot ong Uni versit y , Xi an 710061 , Chi na) ABSTRACT : Metagenom ics is a ne w field of science applied to study gene f unction and inter action ecotype
楚雍烈 , 杨 娥
( 西安交通大学医学院免疫与病原生物系 , 陕西西安 710061) 摘要 : 宏基因组学是研究生态群体基因功能和 其相互 作用的 新科学 领域 , 以特定 生态环 境中微 小生物 遗传物 质的总 和作 为研究对象 , 基本研究策略是通过克隆 、异源表达 , 筛选出 有用的新 基因及其产 物 。 宏基因组 学为生命 学科和药 学研究提供了一个强有力的新技术 , 并在 包括医学 在内的 许多领 域取得 了新成 就 。 本述评 对宏基 因组学 的概念 、技 术和应用作了简要介绍 785 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 -8259( 2008) 06-0601-08
第 29 卷第 6 期 2 0 08 年 12 月
西 安 交 通 大 学 学 报 (医 学 版 ) Jour nal of Xi an Jiaotong University( Medical Scie nces)
Vol . 29 No . 6 Dec . 2008
◎专家述评 ◎
宏基因组学及其技术的研究进展
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。 环境基因组学第一次提出特定生态条
件下 , 全部生物基因组总体概念 , 这是基因组学的重
。
由于狭义宏基因组学概念的对象具体 、 范围局限 和研究目标明确 , 一般文献上所提的宏基因组学 , 除 非特别指明 , 一般均指的是狭义宏基因组学 。 1. 3. 3 人类宏基因组学 人体内部或体表有数以万 亿的微生物个体存活 , 包括细菌 、古细菌 、真菌 、寄生 虫和病毒 等 。 这 些微 生物 占 人体 总 重量 的 1 % 2 %, 成人体内细胞约有 90 %为微生物细胞 , 其余约 10 % 为人体细胞 , 因此从某种意义上说一个完整 、健 康的成年人是诸多物种组成的复合体 。 人体内共生 的菌群包括肠道 、 口腔 、 呼吸道 、 生殖道等处菌群 。 其 中许多微生物对人体健康维持有重要作用 , 帮助消化 食物 , 制造维生素 。 大多微生物具有许多独特的生物 功能 , 如有些微生物具有独特功能的一些酶 , 对各种 复杂有机化合物有降解作用 , 有些微生物可以在一些 极端环境下生存等等 。 同时 , 还有一些微生物则可能 导致人体疾病 。 然而 , 目前对健康和疾病状态下这些 细菌 、真菌和其他微生物的作用还知之甚少 。 国际学 术界把多种微生物聚居在一起形成的系统叫做“ 微生 物群落” , 也称菌群 。 把人体内所有微生物菌群基因
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。 1998 年美国国
立环境卫生科学研究所启动了环境基因组计划 ( envi ronm ent al geno me project , EGP) , 开 展有关 人体 遗传变异与环境胁迫相互关系的研究 , 引起各国科学 家的极大关注 , 标志着生命科学界将在更深层次上对 环境与基因相互作用对人类健康的影响进行系统全 面的研究 要进展 。 1. 2. 2 微生物基因组学与宏基因组学概念的提出 环境是一个相互作用的复杂体系 , 又是一个不断变化 的动态过程 , 该体系的生命与非生命的两个方面是不 断互为因果 , 相辅相承的 。 为了方便研究 , 人类把精 力集中到特定环境的微生物群体上来 。 Handelsman 等 于 1998 年提出生命研究对象应 是生物环境中全部微小生物的基因组( the genomes of the t otal microbio ta found in nature) , 首次提出针对特 定环境样品中细菌和真菌的基因组总和进行研究的这 一宏基因组( metagenome) 概念 , 指出应用宏基因组学 研究微生物复杂群落基因组的方法将成为快速发展的 领域 。 2007 年 3 月 , 美国国家科学院以“ 环境基因组学 新科学 — — —揭示微生物世界的奥秘” 为题发表咨询报 告 , 指出宏基因组学为探索微生物世界的奥秘提供新 的方法 , 这是继发明显微镜以来研究微生物方法的最 重要进展 , 将是对微生物世界认识的革命性突破 。 报 告呼吁建立全球宏基因组学研究计划 , 建议大批量启 动中小型宏基因组学研究项目 , 对自然环境微生物群 落( 如海水或土壤) 、 寄生微生物群落( 如人体肠胃或口 腔) 、 人为控制环境微生物群落( 如污水处理厂或水产 养殖厂) 等展开研究 ; 启动少量大型综合性项目 , 对宏 基因组学研究方法 、 技术路线 、 理论框架和更为复杂的 动态微生物系统进行研究