導(dǎo)讀

• 這篇文章僅僅納入了8個(gè)檢測對象，但是作者用這屈指可數(shù)的樣本不僅分析了冷凍、乙醇、RNAlater三種保存方法對標(biāo)本的微生物群組成、宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組的影響，還分析了口腔和腸道微生物在微生物群組成、宏基因組和和宏轉(zhuǎn)錄組上的關(guān)系，最后還詳細(xì)的比較了腸道宏基因組與腸道宏轉(zhuǎn)錄組之間的差異。因此，雖然這篇文章早在2014年就已經(jīng)由大佬Huttenhower發(fā)表在PNAS上了，但是我還是想拿出來講一講。篇幅有限，感興趣的朋友一定要看原文哦。

一、介紹

1. 摘要：

• 盡管人體微生物群組成的研究取得了很好的進(jìn)展，但是微生物群中的超過 800萬的基因及其調(diào)控仍然沒有被描述清楚。部分原因是難以獲得大量的適合做微生物群功能研究的標(biāo)本。因此我們設(shè)計(jì)了前瞻性隊(duì)列研究：1）在多個(gè)體多部位采集標(biāo)本；2）用多種方法保存；3）先人一步進(jìn)行了人體宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組的聯(lián)合分析。內(nèi)容1：收集8名健康受試者的糞便標(biāo)本和唾液標(biāo)本，然后分別用三種不同的方法(冷凍、乙醇、RNAlater)保存糞便以比較收集方法對微生物群組成、宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組的影響。內(nèi)容2：分析同一個(gè)體不同部位的宏測序數(shù)據(jù)，研究口腔和腸道微生物之間的關(guān)系。內(nèi)容3：分析腸道宏測序數(shù)據(jù)，比較宏基因組與宏轉(zhuǎn)錄組。

2. 文章簡介

• Title：Relating the metatranscriptome and metagenome of the human gut
  標(biāo)題：人體腸道中的宏基因組與宏轉(zhuǎn)錄組
  發(fā)表雜志：PNAS，美國科學(xué)院院報(bào)
  影響因子：9.58
  通訊：Curtis Huttenhower
  單位：哈佛大學(xué)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)系
  時(shí)間：2014年

3. 通訊作者簡介

• Huttenhower教授工作于哈佛大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，生物統(tǒng)計(jì)學(xué)系和免疫生物學(xué)與感染性疾病部門，以及Broad研究所。近些年，Huttenhower以通訊作者的身份在Nature Method、Nature Biotechnology、Genome Biology等雜志上發(fā)表過MetaPhlAn、MetaPhlAn2、PICRUSt、LEfSe、HUMAnN、HUMAnN2。其中PICRUSt被引量高達(dá)2820，LEfSe被引量也高達(dá)2712。Huttenhower實(shí)驗(yàn)室還開發(fā)了很多網(wǎng)頁工具，其中包含LEfSe、PICRUSt等。因?yàn)槭腔诰W(wǎng)頁的，所以廣大的Windows用戶也能輕松的使用。對分析感興趣老師和同學(xué)不要錯(cuò)過哦。
  網(wǎng)頁地址：http://huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy/

言歸正傳，下面一起看這篇文章進(jìn)行了怎樣的研究：

二、研究設(shè)計(jì)

方法路線.png

• 收集8個(gè)參與者提供的口腔（唾液）和糞便標(biāo)本。口腔標(biāo)本的處理方法：1）冰凍法保存；2）宏基因組測序。糞便標(biāo)本的處理方法：1）同一參與者的糞便標(biāo)本分成三份分別用冰凍、酒精、RNAlater三種方法保存；2）每份標(biāo)本同時(shí)進(jìn)行宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組測序。生物信息學(xué)分析：1）使用MetaPhlAn進(jìn)行物種注釋；2）使用HUMANn進(jìn)行基因和通路注釋。

三、研究結(jié)果

1. 內(nèi)容一：標(biāo)本保存方法對微生物群組成、宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組的影響如何？

內(nèi)容一.png

• 結(jié)果說明：
  Spearman相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)不同方法保存的標(biāo)本的群落組成（圖A）、基因功能成分（圖B）和轉(zhuǎn)錄功能成分（圖C）高度一致。圖ABC中的黑色線條表示每組8個(gè)相關(guān)系數(shù)的平均值。方差分析進(jìn)一步分析標(biāo)本處理效果發(fā)現(xiàn)：1）微生物群組成（圖D）和宏基因（圖E）沒有顯著的標(biāo)本處理效果；2）< 5%的轉(zhuǎn)錄本表現(xiàn)出顯著受標(biāo)本處理方法的選擇的影響（圖F）。

2. 內(nèi)容二：口腔和腸道微生物群落之間有何關(guān)系？

內(nèi)容二.png

• 結(jié)果說明：
  分析8對糞便和口腔標(biāo)本的宏測序數(shù)據(jù)（聯(lián)合分析HMP數(shù)據(jù)）。采用Bray-Curtis距離算法聚類樣本，和等級相關(guān)算法聚類微生物。圖A表明：1）口腔和糞便的微生物組成差異很大；2）豐度較高的口腔微生物在腸道中的豐度卻很低。圖B表明：口腔中豐度最高的8種微生物的DNA在同一個(gè)體的糞便中含量也較低，轉(zhuǎn)錄活性也非常低?；疑€連接來自同一個(gè)體的口腔DNA (淡藍(lán)色)、腸道DNA (深藍(lán)色)和腸道RNA (紅色)。也有不同的情況，如圖C中的D. invisus雖然是一種腸道優(yōu)勢物種，但是也能在口腔大量存在。

3. 內(nèi)容三：腸道宏基因組與宏轉(zhuǎn)錄組有何差異？

1）功能豐度差異：

內(nèi)容3.1.png

• 結(jié)果說明：
  KEGG注釋后一共獲得3,292個(gè)相對豐度 > 0.01%的KOs。KOs（基因）和KOs（轉(zhuǎn)錄本）的平均相對豐度有很高的相關(guān)性 (Spearman’s r = 0.76)。圖A至圖H為8個(gè)不同的KOs分類：1）紅點(diǎn)是RNA > DNA的KOs；2）藍(lán)點(diǎn)是DNA > RNA的KOs；3）x或y軸上的點(diǎn)表示一個(gè)數(shù)據(jù)集中豐度為零，而另一個(gè)數(shù)據(jù)集中的豐度不為零的KOs。

2）微生物群組成、宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組在個(gè)體間的穩(wěn)定性：

內(nèi)容3.2.png

• 結(jié)果說明：
  豐富最高的10個(gè)屬在個(gè)體間的變異最大(圖A)，宏轉(zhuǎn)錄組中豐富最高的10個(gè)Gene Families次之（圖B），宏基因組中豐富最高的10個(gè)Gene Families最穩(wěn)定（圖C）。使用Pielou 指數(shù)和Bray-Curtis指數(shù)分別計(jì)算比較三組間均勻度（圖D）和多樣性（圖E）也能得到相似的結(jié)果，即個(gè)體間的穩(wěn)定性：宏基因組 > 宏轉(zhuǎn)錄組 > 微生物群落。

3）功能模塊在宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組之間的穩(wěn)定性：

內(nèi)容3.3.png

• 結(jié)果說明：
  圖A、B、C顯示了在個(gè)體間有顯著差異的三個(gè)功能模塊中分別包含的四個(gè)豐富最高的基因在個(gè)體間變化的情況。圖A、B、C中的基因在RNA水平上的變異 > DNA水平上的變異。來自同一個(gè)體的RNA（紅色）和DNA（藍(lán)色）的測量值由灰線連接。但也有少數(shù)相反的案例，如蛋白酶體（圖D）在RNA水平上的變異 < DNA水平上的變異。

文章看點(diǎn)

• 看點(diǎn)1：
  冷凍、乙醇、RNAlater三種保存條件中的微生物群落、宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組高度一致。不同保存方法對標(biāo)本內(nèi)的生物學(xué)信息影響不大。

• 看點(diǎn)2：
  口腔微生物能進(jìn)入腸道并存活下來的數(shù)量很少、轉(zhuǎn)錄活性也很低。口腔和腸道的環(huán)境差異很大，人體微生物中能同時(shí)適應(yīng)兩種環(huán)境的數(shù)量很少。

• 看點(diǎn)3：
  宏基因組 PK 宏轉(zhuǎn)錄組：1）宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組中的生物功能在有很高的一致性；2）個(gè)體間的穩(wěn)定性：宏基因組 > 宏轉(zhuǎn)錄組 > 微生物群落；3）多數(shù)基因在RNA水平上的變異 > DNA水平上的變異。
  總結(jié)：該研究不僅建立了宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合研究的標(biāo)本收集方法和運(yùn)輸方法，還分析人體口腔微生物組與腸道微生物之間的關(guān)系，最后還闡述了腸道宏基因組與腸道宏轉(zhuǎn)錄組之間的關(guān)系。宏基因組包含的信息在微生物群中是較為穩(wěn)定的，宏轉(zhuǎn)錄組的變化性雖然大，但是更能反應(yīng)微生物群功能的實(shí)時(shí)變化，宏轉(zhuǎn)錄組有助于研究微生物群在人體、動(dòng)物、植物、環(huán)境等中的功能機(jī)制。