宏基因组及其应用

宏基因组及其应用

学习笔记

吕涛15010906

一、宏基因组及宏基因组学

1.概念

宏基因组( Metagenome)（也称微生物环境基因组Microbial Environmental

Genome, 或元基因组）是由Handelsman 等1998 年提出的新名词，其定义为

“the genomes of the total microbiota found in nature” , 即环境中全部微小生物遗

传物质的总和。它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。

2.宏基因组学

宏基因组( Metagenome)（也称微生物环境基因组Microbial Environmental

Genome, 或元基因组）是由Handelsman 等1998 年提出的新名词，其定义

为“the genomes of the total microbiota found in nature” , 即环境中全部微小生

物遗传物质的总和。它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。

3.发展历程

环境基因组学——微生物基因组学——宏基因组学——人类基因组学

人类基因组学：

把人体内所有微生物菌群基因组的总和称为“人体宏基因组”(human

metagenome)。人类宏基因组学(human metagenomics)研究人体宏基因组结构和

功能、相互之间关系、作用规律和与疾病关系的学科。它不仅要把总体基因组序

列信息都测定出来，而且还要研究与人体发育和健康有关的基因功能。人类宏基

因组计划目标是：把人体内共生菌群的基因组序列信息都测定出来，而且要研究

与人体发育和健康有关的基因功能。

4.研究步骤

5.研究方法

二、宏基因组学的应用

1.水体宏基因组学

●海表层水样

为研究海洋生命的代谢潜力和海洋生态学提供了前所未有的原始素材；海洋

蕴藏着巨大的生物多样性和复杂性，宏基因组学将极大地促进人们对他的认

识。

●极端环境水体

由于其苛刻的物理化学条件，其中的微生物群落也比较独特；利用环境基因

组学对其开展微生物群落结构及生理代谢对环境变化相应的研究，将促进我

们更好的理解这些极端环境生态系统并加以调控和利用。

2.土壤宏基因组学

●从土壤宏基因组文库中获取新编码基因是该技术的主要功能所在，已发现的

新基因主要有生物催化剂基因、抗生素抗性基因以及编码转运蛋白基因。

●土壤宏基因组学技术最引人注目的贡献是新生物催化剂的发现，包括腈水解

酶和淀粉酶、蛋白酶、酯酶等，并且在此基础上获得很多新酶的许多特征信

息。

传统的新型酶的筛选方法大大限制了筛选的广泛性和有效性。宏基因组学通

过直接从环境中提取DNA 样品,尽可能为后面的筛选提供更加全面和多样

的基因资源,从而有效地提高了新酶的筛选效率。

3.在医学领域的应用

●宏基因组技术的出现为新药物的探索和发现提供了可能的技术支持, 并扩

大了微生物代谢产物及分子活性物质筛选平台。

例如早在2000 年, Wang 等构建土壤宏基因组文库, 通过文库筛选获得

TerragineA 及其相关成分, 目前已广泛应用于医学治疗领域, 证明了自然环

境中的丰富微生物代谢产物可以通过宏基因组技术为人们所利用;

同年Brady 等从土壤宏基因组文库中筛选发现一种长链N-酰氨基酸抗生素

物质; 并在2004 年构建凤梨科植物树茎流出液宏基因组文库, 筛选鉴定获

得了抗菌物质PalmitoylPutrescine。

三、基因组测序技术与法医学

通过学习，未能了解宏基因组学本身在法医学方面的具体详细应用（以下第4点算是一个应用），但其应用的新一代基因组测序技术（高通量测序技术）在法医学方面有广泛的应用前景。

1.短串联重复序列分析

●短串联重复序列（STR）又称为微卫星DNA。产生主要是DNA复制过程中

滑动，或复制和修复时滑动链与互补链碱基错配，导致一个或几个重复单位

的缺失或插入。STR遗传符合孟得尔遗传定律。在染色体上，存在一些串

联重复序列，但重复的次数可以出现个体差异，形成片段长度等位基因，如

果串联重复序列的重复单位仅2-6bp，等位基因片段比较短，就可以称为短

串联重复序列。

●目前STR 已成为各国法医DNA 数据库的基础，并在未来很长一段时间内

都将是国内外法医学领域的主流技术。新一代测序技术刚出现时，由于读长

普遍较短，并不适合STR 检测。但随着技术发展，平均读长不断增加，已

有学者开始研究使用新的测序方法进行STR 检测。

●随着新一代测序技术的快速发展，尤其是单分子测序技术的成熟，将使高通

量、低成本、高灵敏度且能同时检测常染色体和性染色体上更多STR 基因

座多态性很快成为现实。

2.线粒体全基因组分析

●人细胞线粒体DNA 中异质性很常见，且同一个体内不同组织来源细胞中的

线粒体DNA 呈现的异质性亦有较大差异。线粒体DNA 异质性是影响法医

线粒体分析系统效能的因素之一。

●作为单倍型遗传标记，提高线粒体DNA 个人识别能力唯一的办法，是在

mtDNA 中发现并应用更多的多态遗传标记。因此针对线粒体DNA，建立和

使用高通量、低成本且操作简易的新一代测序技术检测样本全线粒体序列，

可使其在法医学应用中发挥更大作用

3.Y 染色体分析

●Y染色体上的基因只能由亲代中的雄性传递给子代中的雄性（即由父亲传递

给儿子），因此在Y染色体上留下了基因的族谱，Y-DNA分析现在已应用于

家族历史的研究。

●可以用Y 染色体测序的方法，区分用Y 染色体STR 检测不能解决的来源

于同一父系混合样本的难题。

4.法医微生物分析

●法医微生物分析在法医学领域得到越来越多学者的关注。

●通过对生物痕迹进行深度测序和宏基因组分析，证实该方法可以用来进行生

物痕迹法医学鉴定。

●通过对人体皮肤表面的细菌进行宏基因组测序进行个体识别。

5.人群来源和表型推断

●近几年，采用基于单核苷酸多态性( SNPs) 的全基因组关联分析进行人群来源

和表型推断，已经成为法医学研究热点。

●使用新一代测序技术进行全基因组测序，将会大大提高关联位点的准确性，

从而达到准确推断人群来源和表型的目的。

6.表观遗传分析

●在法医学研究领域，表观遗传学研究同样具有作用。新一代高通量测序结合

经典的表观遗传学研究方法，使得在全基因组水平上的表观遗传修饰研究更