宏基因組(Metagenomics)，也稱元基因組，利用新一代高通量測序技術(shù)( NGS)以特定環(huán)境下微生物群體基因組為研究對象，在分析微生物多樣性、種群結(jié)構(gòu)、進化關(guān)系的基礎(chǔ)上，可進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)掘潛在的生物學意義。與傳統(tǒng)微生物研究方法相比，宏基因組測序技術(shù)規(guī)避了絕大部分微生物不能培養(yǎng)、痕量菌無法檢測的缺點，因此近年來在環(huán)境微生物學研究中得到了廣泛應用。

技術(shù)優(yōu)勢
通量高，擁有標準化實驗室和高通量測序平臺，數(shù)據(jù)庫可靠
可檢測不可培養(yǎng)物種，可檢測痕量微生物
專業(yè)的生物信息團隊，可以滿足個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

檢測平臺
測序平臺：Illumina Nova Seq 6000
測序方法：PE150
測序深度：6G/10G/12G

常規(guī)項目周期
實驗檢測:：21個自然日
數(shù)據(jù)分析：21個自然日

應用方向
1.醫(yī)學領(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)與動物健康/營養(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
研究對象：人
期刊：Nature Medicine
影響因子：36.13
時間：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，其形成需要歷經(jīng)幾十年的時間，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，對來自大隊列CRC中的616名和406名樣本分別進行了糞便宏基因組和代謝組學研究，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)標志物；且進一步探索個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照中變化最大的菌。進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）功能分析和標志物篩選
基于KEGG數(shù)據(jù)庫篩選出1243個同源基因(KO基因）在至少一個階段顯著升高，96個KO基因在至少一個階段顯著降低。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患者和健康對照的得分最高標志物。通過構(gòu)建隨機森林和LASSO邏輯回歸模型來區(qū)分健康對照與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，特征值為已被確認為CRC標志物的P.micraP.stomatis和 F.nucleatum等口腔厭氧菌。
 
（3）結(jié)果驗證和潛在機制
對28名CRC患者（SI /II和SIII /IV)術(shù)前和術(shù)后1年的糞便樣品進行宏基因組測序。結(jié)果表明，腫瘤切除后P.stomatis,P.anaerobius和P.uenonis的相對豐度降低。
參考文獻
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.