三代测序技术：让你“看清”微生物基因“骨架”

在我们的人体肠道内生活着大量微生物，这些微生物在肠道内不断繁衍生息并与人类互利共生，共同形成了人体肠道内不可或缺的重要组成成分，我们统称为肠道微生物群。

那么，你知道与你共生的人体肠道微生物群有何特点吗？研究肠道微生物的方法又有哪些呢？

人体肠道微生物群有何特点？

首先，肠道微生物群最显著特征就是数量巨大。据科学家统计，人体肠道内微生物的数量比人类的细胞的数量还要高出3-10倍。

但是，他们的体积却很小，直径仅为人体细胞的十分之一不到，甚至更小。所以，即使有大量的微生物在肠道内居住，也不会把人体肠道撑爆。

（图片来源：veer）

其次，人体肠道微生物群所包括的物种种类繁多。除了我们经常提到的细菌外，人体肠道内还包括了真菌、病毒和原生动物，但是细菌的含量却是最多的，占到90%以上。

所以我们经常提到的“肠道微生物群”这一名称，大多数情况下代表的是肠道细菌。目前，在人体的肠道中已经发现的细菌种类就超过4600多种，而且这些细菌物种中超过70%的还未曾被培养，也不知道具体的活性与功能。

（图片来源：veer）

最后，人体肠道微生物群与人体互利共生。细菌在生物圈中经常充当“分解者”的角色，人体肠道中的细菌也发挥着类似的功能。生活中，我们吃的食物在胃中无法被完全消化时，最终会在肠道内被微生物利用并降解为小分子物质，然后被我们人体吸收。

（图片来源：veer）

同时，当我们生病吃药时，有些药物也会在肠道内被微生物代谢分解成有效的药物分子，然后被肠道吸收达到治疗的效果。除此之外，肠道内的微生物也与人类共同进化形成了抵御外来微生物入侵的天然屏障，发挥着抗感染的功能。

因此，如果肠道微生物的生态系统失衡，那么有可能会导致肠道内代谢功能紊乱，甚至造成肠道疾病的发生。

（图片来源：veer）

研究肠道微生物的方法有哪些？

传统研究微生物的方法主要依靠“培养”，所谓的培养就是让微生物在含有碳、氮等基本元素物质的培养基中，在合适的温度和氧气浓度下进行生长，然后观察它的生理状态以及生物活性。

（图片来源:veer）

但是这种方法费时费力、无法实现“高通量”，就是大规模研究肠道细菌，并且绝大多数的肠道细菌还不能被培养出来。

然而，随着测序技术的发展，我们能够在不培养的情况下以高通量的方式了解肠道微生物，尤其是解析肠道微生物的基因组。目前大部分的相关研究，主要利用二代测序的方法进行肠道微生物物种的功能解析，但是存在一定的局限性与不足。

不过，近年来三代测序技术的迅速发展，弥补了二代测序技术中的一些不足，同时两者相结合也为探究肠道微生物提供了更好的方法条件。

三代测序在哪些方面做了改进？

在说三代测序技术的改进之前，我们先了解一下二代测序技术解析肠道微生物的方法：

首先，通过实验手段提取到肠道微生物的DNA，然后将其随机打断成150bp或250pb左右的小片段，再利用二代技术对DNA小片段进行测序，得到序列结果后将其拼接成重叠群（contigs），所谓contigs就是短片段拼接延伸形成的较长的基因片段，然后再将混合了不同微生物的contigs按物种分开。

其中，最后一个步骤也被称为分箱（binning），是非常复杂的过程，常规的二代测序技术由于拼接出来的基因片段大大小小不等，很难确定哪些片段属于哪个菌种，就像一个拥有上千片小块拼图一样，如果不能对这些小块拼图进行分类，我们将很难拼出一个完整的图谱。

（图片来源：简书）

此外，二代测序技术得到的序列较短，对于复杂的基因组区域（如基因的重复区域），以及较大的结构变异（大的基因片段的丢失或插入）检测存在一定局限性。

相比于二代测序技术，三代测序技术的最大改进就是能够获得超长DNA片段，能帮助研究者针对感兴趣的基因或区域进行深度测序，而且三代测序技术的建库流程简单，可为科学家节省不少时间。最重要一点，三代测序还可直接检测DNA的“甲基化修饰”，而甲基化修饰就像是基因的开关，它能控制基因的表达，所以也为科学家们研究基因的表达提供便利条件。

最后，通过使用二代测序与三代测序相结合的方法，可以在复杂的环境中得到高质量的单个细菌的基因组，并提高结构变异的检测能力[3]。

三代测序的长序列片段就像一个“骨架”，然后以这个骨架为参考，推断出二代测序的短序列片段之间的对应关系，从而进行拼接，最终得到高质量的细菌基因组。

（图片来源：曹佳宝）

看到这里，你有没有对与自己朝夕相处的这些小伙伴有一个更深的了解了呢？还有什么想知道的，可以在评论区和大家一起讨论哟～

参考文献

林璋, 祖先鹏, 谢海胜, 等. 肠道菌群与人体疾病发病机制的研究进展[J]. 药学学报, 2016, 51(6): 843-852.

林华, 欧明林, 陈洁晶, 等. 肠道微生物与人类疾病的研究进展[J] . 国际生物医学工程杂志,2019,42 (3): 258-262.

Chen, L., Zhao, N., Cao, J. et al. Short- and long-read metagenomics expand individualized structural variations in gut microbiomes. Nat Commun 13, 3175 (2022).

出品：科普中国

作者：曹佳宝（中国科学院微生物研究所）

监制：中国科普博览