通过新的基因测序方法发现了令人惊叹的肠道细菌多样性

斯坦福大学计算机科学家和遗传学家之间的合作已经产生了一种新技术，用于绘制生活在人体肠道中的细菌的多样性。新方法揭示了一个比研究人员预期的更加多样化的社区。“ 细菌在遗传上比我们想象的更加异质，”遗传学教授兼主席Michael Snyder博士说。

Snyder说，任何两个人通常相差1000个DNA碱基，而同一物种的细菌可能相差多达250个。“我认为人们并没有意识到这种多样性有多大。我们发现的复杂性令人震惊，”他说。过去，研究人员只能研究在实验室中生长的细菌。但绝大多数细菌物种不会在传统培养基上生长。因此，细菌的真正多样性 - 不仅在人类的肠道中，而且在整个生活世界中 - 仍然在很大程度上尚未开发。

近年来，基因组学方法已经开始揭示生物学家所看到的几乎所有地方生长的各种新细菌物种群落。现代基因测序已经让生物学家感到诱人，其细菌世界的迹象与任何热带雨林一样具有生物多样性。然而，当前技术的局限性只会造成模糊的画面，并阻碍研究人员看到所有存在的东西。

特别感兴趣的是生活在肠道中的细菌。肠道中的一些细菌物种群体与健康有关，而其他一些群体则包括肥胖症，2型糖尿病，肠道疾病和肝脏疾病。还有一些是可以致病甚至杀死的直接病原体，例如某些大肠杆菌菌株或导致霍乱的细菌。鉴于它们对人类健康的重要性，生活在我们内部和我们皮肤上的细菌的生态群落受到越来越多的关注。

斯坦福大学的团队已经克服了当前测序技术的一些局限性，以创建人类肠道细菌群落或微生物群的清晰图像。该团队使用新的计算方法和“长读”DNA测序来揭示单个雄性人类肠道微生物组中细菌的多样性。

一篇描述他们工作的论文将于12月14日在线发表在Nature Biotechnology上。主要作者是斯坦福大学计算机科学博士生Volodymyr Kuleshov。Snyder，Stanford W. Ascherman，医学博士，FACS，遗传学教授，是计算机科学教授Serafim Batzoglou博士的共同高级作者。

由短片段DNA引起的问题

目前的DNA 测序技术着眼于DNA序列的非常短的片段。如果您只关注一个基因组 - 例如细菌或单个人 - 您可以将片段组装成一个完整的基因组，就像您可能会精心组装一个拼图游戏一样。

但是当你看到来自人体肠道的大量不同细菌的片段时，组装这些片段就像试图从所有100个拼图混杂在一起的一堆片组装100个拼图游戏，Snyder解释说。任何两件都可以来自完全不相关的谜题 - 类似于不同种类的细菌 - 而其他谜题可能来自相同谜题的多个副本 - 类似于同一种细菌。

如果这听起来很难，真正的挑战是能够分辨出几乎相同但不完全相同的谜题。这就是研究人员的新技术所做的。“我们从这个大型的几何组装了一个完整的基因组，这是以前从未做过的，”斯奈德说。

“我们通常从300个碱基的片段中测序100个DNA碱基，”他说。“你只是得到了一些信息片段。” 但是，使用新的信息学方法，Snyder和Batzoglou的团队将基因组的更大部分缝合在一起。“我们有一个复杂的算法，可以让我们将所有这些片段组合在一起 - 首先将片段组装成更长的10,000个片段，然后将10,000个片段组合成更长的片段，然后将这些片段组装成完整的基因组，”Snyder说。

如此长的DNA序列可以跨越数百甚至数千个无法从短读序列中回收的基因; 他们可以帮助对细菌和其他生物体的相互关联进行分类; 长序列还有助于识别当前方法可能遗漏的稀有细菌。“我们可以组装整个基因组或至少非常非常大的基因组块，”斯奈德说。

细菌多样性很好

能够看到基因组的这么长的部分意味着不仅能够区分不同种类的细菌，而且能够区分同一物种的不同菌株。该团队在已知细菌的标准化样本上测试了该技术，然后将其用于旋转人类男性的肠道内容物。结果不仅揭示了许多物种，而且还揭示了同一物种的许多不同菌株。例如，一种细菌物种包括五个独立的菌株 - 全部来自一个人。

有这么多不同菌株的后果很难预测，但有些菌株或多或少可能会使人生病。例如，许多大肠杆菌菌株在人体肠道中无害地生长甚至有益，而其他菌株则是致命的。能够从另一个中分辨出一个菌株可以帮助研究人员确定哪些菌株是危险的，为什么。

现在，想要研究毒力的研究人员必须分离该菌株，然后在实验室中培育它。但有些细菌在实验室中不易生长。如果研究人员可以直接在人体肠道样本的细菌混合物中研究导致毒力的基因，他们就不需要将其分离并在纯培养物中生长。“当你组装整个基因组时，你可以更好地了解致病基因是什么。我认为它对于理解发病机制的遗传基础非常非常有用，”斯奈德说。

新方法将使构建传染性细菌或病毒株(如埃博拉病毒)的进化历史变得更加容易。该方法可用于该领域，以研究健康人和其他动物以及植物，水和土壤中的微生物多样性。“当我们现在把它们放在一起时，使用这些长读取，它就像一部IMAX电影，”斯奈德说。“你可以比我们现在做的更清楚地看到整个事情，就像一台古老的黑白电视。”