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新品發布 | BIOTREE宏病毒組探索“已知的未知”微生物

分類:公司動態   發布時間 2021-06-02   閱讀: 993

人的腸道具有復雜的微生物生態系統,包括細菌、真菌、古菌和病毒等。隨著下一代測序技術(高通量測序)的興起,人類腸道細菌的研究有了飛躍性的發展,但是感染這些細菌的病毒仍未得到充分開發。噬菌體是人類腸道內最豐富的病毒群體,越來越多的證據表明,噬菌體能夠通過影響與人類共生的細菌群落的結構和功能來影響人類健康。


宏病毒組學

宏病毒組學(Viral Metagenomics)是宏基因組學的一個分支,但與傳統的宏基因組學概念不同,它是在宏基因組學概念的基礎上,結合病毒自身的特點,如應用特殊方法把特定環境中所有病毒與其他微生物分開,然后提取的病毒核酸,用高通量技術進行病毒核酸測序(VLP metagenomes),也可以不進行病毒與微生物分離并提取核酸進行測序(Bulk metagenomes),最后將測序結果與現有的核酸文庫進行比對,并運用軟件分析處理后最終得到研究樣品中病毒群落的組成信息。2002年,Breitbart等[1]將宏基因組學方法應用于海洋病毒群落的研究,發現噬菌體為海水中主要病毒組,這一研究標志著宏病毒組學正式應用于科學研究。


人體腸道病毒特點

2.1 組成多樣性

人體腸道病毒主要由噬菌體、真核病毒和植物源病毒組成,他們與共生細菌和腸道屏障相互作用,促進腸道健康所必需的重要功能,90%以上為原核病毒即噬菌體。這些病毒以DNA病毒為主,伴有少數RNA病毒,且大部分還未被開發。

圖1 人體腸道病毒分布比例[2]


2.2 人體分布廣

一個成年人體內大約包含1013個具有復雜異質性的病毒樣顆粒,同時近年來對病毒組的研究也進一步表明人體不同部位的病毒的多樣性,初步揭示了病毒組與宿主的相互作用以及整體病毒組結構與疾病狀態的關系。

圖2 病毒在人體不同部位的分布[3]


2.3 異質性和穩定性

腸道中病毒在不同個體中由于遺傳、飲食、藥物和地域等因素的不同而存在一定的異質性;研究發現,雖然在不同的生長階段病毒含量在一定范圍內波動,但病毒在健康成人體內穩定較好。

圖3 病毒的異質性和穩定性[4-5]


2.4 應用

最近的研究表明,共生的病毒不僅積極地與其他微生物相互作用,同時也與哺乳動物的免疫系統有密切關系,在噬菌體治療,敏化抗生素抗性細菌,促發機體免疫從而保護宿主免受病毒感染等方面有廣泛的應用。

圖4 噬菌體的部分應用[6]



宏病毒組學研究流程

宏病毒組學研究從樣本準備開始,提取DNA并檢測,然后構建和檢測文庫,最后上機檢測和數據分析。由于病毒核酸在樣本中的相對含量非常低,容易受到宿主的基因組的嚴重干擾,且病毒的結構具有獨特性,缺少具有固定保守的進化標記基因,無法通過保守的基因分析來鑒定分類信息,使得宏病毒組研究從樣本制備開始到數據分析都存在著一定的困難。目前,從樣本制備層面主要有VLP metagenomes和Bulk metagenomes兩種;數據分析方面,有組裝和非組裝兩種。

圖5 宏病毒組研究流程[7]


案例

Landscapes of bacterial and metabolic signatures and their interaction in major depressive disorders 

重度抑郁癥的宏基因組、宏病毒組和代謝組學研究


重度抑郁癥(MDD)是一種常見的使人衰弱的精神障礙,與腸道微生物組密切相關,但人們對于其潛在機制,腸道病毒、腸道菌群和代謝組的變化以及它們之間是如何作用從而影響MDD知之甚少。本文使用全基因組鳥槍法的宏基因組學技術和基于GC-MS的非靶向代謝組學方法,對來自MDD和健康對照(HCs)患者的311分糞便樣本進行檢測,通過分析確定了有明顯差異的 3 個噬菌體、47 個菌和 50 個代謝物,通過Random Forest建模,選出了對MDD和HCs有一定區分能力的潛在標志物組合,為深入了解腸道生態系統在MDD的作用及潛在機制研究提供了有力的依據。

 圖6 關聯分析和ROC分析結果[8] 


參考文獻:【1】Breitbart M, Salamon P, Andresen B, et al. Genomic analysis of uncultured marine viral communities[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99(22): 14250-14255.【2】Gregory AC, Zablocki O, Zayed AA, et al. The Gut Virome Database Reveals Age-Dependent Patterns of Virome Diversity in the Human Gut. Cell Host Microbe. 2020 Nov 11;28(5):724-740.e8. 【3】Guanxiang Liang, Frederic D. Bushman. The human virome: assembly, composition and host interactions. Nat Rev Microbiol . 2021 Mar 30;1-14.【4】Dion MB, Oechslin F, Moineau S. Phage diversity, genomics and phylogeny. Nat Rev Microbiol. 2020 Mar;18(3):125-138.【5】Gregory AC, Zablocki O, Zayed AA, et al. The Gut Virome Database Reveals Age-Dependent Patterns of Virome Diversity in the Human Gut. Cell Host Microbe. 2020 Nov 11;28(5):724-740.e8. 【6】Salmond GP, Fineran PC. A century of the phage: past, present and future. Nat Rev Microbiol. 2015 Dec;13(12):777-86. 【7】Garmaeva S, Sinha T, Kurilshikov A, et al. Studying the gut virome in the metagenomic era: challenges and perspectives. BMC Biol. 2019 Oct 28;17(1):84. 

【8】Yang J, Zheng P, Li Y, et al. Landscapes of bacterial and metabolic signatures and their interaction in major depressive disorders. Sci Adv. 2020 Dec 2;6(49):eaba8555. 

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