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      通過(guò)新的基因測(cè)序方法發(fā)現(xiàn)了令人驚嘆的腸道細(xì)菌多樣性

      斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家和遺傳學(xué)家之間的合作已經(jīng)產(chǎn)生了一種新技術(shù),用于繪制生活在人體腸道中的細(xì)菌的多樣性。新方法揭示了一個(gè)比研究人員預(yù)期的更加多樣化的社區(qū)。“ 細(xì)菌在遺傳上比我們想象的更加異質(zhì),”遺傳學(xué)教授兼主席Michael Snyder博士說(shuō)。

      通過(guò)新的基因測(cè)序方法發(fā)現(xiàn)了令人驚嘆的腸道細(xì)菌多樣性

      Snyder說(shuō),任何兩個(gè)人通常相差1000個(gè)DNA堿基,而同一物種的細(xì)菌可能相差多達(dá)250個(gè)。“我認(rèn)為人們并沒(méi)有意識(shí)到這種多樣性有多大。我們發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜性令人震驚,”他說(shuō)。過(guò)去,研究人員只能研究在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)的細(xì)菌。但絕大多數(shù)細(xì)菌物種不會(huì)在傳統(tǒng)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)。因此,細(xì)菌的真正多樣性 - 不僅在人類的腸道中,而且在整個(gè)生活世界中 - 仍然在很大程度上尚未開(kāi)發(fā)。

      近年來(lái),基因組學(xué)方法已經(jīng)開(kāi)始揭示生物學(xué)家所看到的幾乎所有地方生長(zhǎng)的各種新細(xì)菌物種群落?,F(xiàn)代基因測(cè)序已經(jīng)讓生物學(xué)家感到誘人,其細(xì)菌世界的跡象與任何熱帶雨林一樣具有生物多樣性。然而,當(dāng)前技術(shù)的局限性只會(huì)造成模糊的畫(huà)面,并阻礙研究人員看到所有存在的東西。

      特別感興趣的是生活在腸道中的細(xì)菌。腸道中的一些細(xì)菌物種群體與健康有關(guān),而其他一些群體則包括肥胖癥,2型糖尿病,腸道疾病和肝臟疾病。還有一些是可以致病甚至殺死的直接病原體,例如某些大腸桿菌菌株或?qū)е禄魜y的細(xì)菌。鑒于它們對(duì)人類健康的重要性,生活在我們內(nèi)部和我們皮膚上的細(xì)菌的生態(tài)群落受到越來(lái)越多的關(guān)注。

      斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)克服了當(dāng)前測(cè)序技術(shù)的一些局限性,以創(chuàng)建人類腸道細(xì)菌群落或微生物群的清晰圖像。該團(tuán)隊(duì)使用新的計(jì)算方法和“長(zhǎng)讀”DNA測(cè)序來(lái)揭示單個(gè)雄性人類腸道微生物組中細(xì)菌的多樣性。

      一篇描述他們工作的論文將于12月14日在線發(fā)表在Nature Biotechnology上。主要作者是斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)博士生Volodymyr Kuleshov。Snyder,Stanford W. Ascherman,醫(yī)學(xué)博士,F(xiàn)ACS,遺傳學(xué)教授,是計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Serafim Batzoglou博士的共同高級(jí)作者。

      由短片段DNA引起的問(wèn)題

      目前的DNA 測(cè)序技術(shù)著眼于DNA序列的非常短的片段。如果您只關(guān)注一個(gè)基因組 - 例如細(xì)菌或單個(gè)人 - 您可以將片段組裝成一個(gè)完整的基因組,就像您可能會(huì)精心組裝一個(gè)拼圖游戲一樣。

      但是當(dāng)你看到來(lái)自人體腸道的大量不同細(xì)菌的片段時(shí),組裝這些片段就像試圖從所有100個(gè)拼圖混雜在一起的一堆片組裝100個(gè)拼圖游戲,Snyder解釋說(shuō)。任何兩件都可以來(lái)自完全不相關(guān)的謎題 - 類似于不同種類的細(xì)菌 - 而其他謎題可能來(lái)自相同謎題的多個(gè)副本 - 類似于同一種細(xì)菌。

      如果這聽(tīng)起來(lái)很難,真正的挑戰(zhàn)是能夠分辨出幾乎相同但不完全相同的謎題。這就是研究人員的新技術(shù)所做的。“我們從這個(gè)大型的幾何組裝了一個(gè)完整的基因組,這是以前從未做過(guò)的,”斯奈德說(shuō)。

      “我們通常從300個(gè)堿基的片段中測(cè)序100個(gè)DNA堿基,”他說(shuō)。“你只是得到了一些信息片段。” 但是,使用新的信息學(xué)方法,Snyder和Batzoglou的團(tuán)隊(duì)將基因組的更大部分縫合在一起。“我們有一個(gè)復(fù)雜的算法,可以讓我們將所有這些片段組合在一起 - 首先將片段組裝成更長(zhǎng)的10,000個(gè)片段,然后將10,000個(gè)片段組合成更長(zhǎng)的片段,然后將這些片段組裝成完整的基因組,”Snyder說(shuō)。

      如此長(zhǎng)的DNA序列可以跨越數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)無(wú)法從短讀序列中回收的基因; 他們可以幫助對(duì)細(xì)菌和其他生物體的相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行分類; 長(zhǎng)序列還有助于識(shí)別當(dāng)前方法可能遺漏的稀有細(xì)菌。“我們可以組裝整個(gè)基因組或至少非常非常大的基因組塊,”斯奈德說(shuō)。

      細(xì)菌多樣性很好

      能夠看到基因組的這么長(zhǎng)的部分意味著不僅能夠區(qū)分不同種類的細(xì)菌,而且能夠區(qū)分同一物種的不同菌株。該團(tuán)隊(duì)在已知細(xì)菌的標(biāo)準(zhǔn)化樣本上測(cè)試了該技術(shù),然后將其用于旋轉(zhuǎn)人類男性的腸道內(nèi)容物。結(jié)果不僅揭示了許多物種,而且還揭示了同一物種的許多不同菌株。例如,一種細(xì)菌物種包括五個(gè)獨(dú)立的菌株 - 全部來(lái)自一個(gè)人。

      有這么多不同菌株的后果很難預(yù)測(cè),但有些菌株或多或少可能會(huì)使人生病。例如,許多大腸桿菌菌株在人體腸道中無(wú)害地生長(zhǎng)甚至有益,而其他菌株則是致命的。能夠從另一個(gè)中分辨出一個(gè)菌株可以幫助研究人員確定哪些菌株是危險(xiǎn)的,為什么。

      現(xiàn)在,想要研究毒力的研究人員必須分離該菌株,然后在實(shí)驗(yàn)室中培育它。但有些細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)室中不易生長(zhǎng)。如果研究人員可以直接在人體腸道樣本的細(xì)菌混合物中研究導(dǎo)致毒力的基因,他們就不需要將其分離并在純培養(yǎng)物中生長(zhǎng)。“當(dāng)你組裝整個(gè)基因組時(shí),你可以更好地了解致病基因是什么。我認(rèn)為它對(duì)于理解發(fā)病機(jī)制的遺傳基礎(chǔ)非常非常有用,”斯奈德說(shuō)。

      新方法將使構(gòu)建傳染性細(xì)菌或病毒株(如埃博拉病毒)的進(jìn)化歷史變得更加容易。該方法可用于該領(lǐng)域,以研究健康人和其他動(dòng)物以及植物,水和土壤中的微生物多樣性。“當(dāng)我們現(xiàn)在把它們放在一起時(shí),使用這些長(zhǎng)讀取,它就像一部IMAX電影,”斯奈德說(shuō)。“你可以比我們現(xiàn)在做的更清楚地看到整個(gè)事情,就像一臺(tái)古老的黑白電視。”

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