新的肠道菌取样法助力人体微生物组学研究

　　

生物通报道：最近，美国福赛思研究所、麻省综合医院（MGH）和哈佛大学公共卫生学院等处的科学家，开发出一种新的方法，收集用于基因组和转录组分析的唾液与粪便。该方法不需要专业人员和设施，同时还能保持样品的完整性。这种方法也为消化道微生物组的基因组成和乳糜泻、口腔癌、牙周炎和肥胖症相关的细菌，提供了重要的见解。

这项研究以“Relating the metatranscriptome and metagenome of the human gut”为题，在线发表于2014年5月19日的《PNAS》杂志。这种技术可减轻受试对象的一些负担，将使我们能够不受地理限制，开展纵向研究和大规模的收集研究。

2007年，美国国立健康研究所（NIH）出资1.5亿美元启动了一项名为“人类微生物组项目”（Human Microbiome Project）的研究计划，对人体内最常见的细菌基因组进行测序，以便更好地研究细菌与人体健康的关系。近年来，该计划已经帮助确定了人体的正常细菌组成。科学家们已经进行了大规模的研究来分析生活在人体内外的微生物（细菌）。研究人类与细菌之间的相互作用，可以带来监测人体健康状况、预防或治疗口腔和全身性疾病的新方法。然而，这些研究通常需要受试者到门诊进行样品采集，这种复杂的做法对大型研究是不切实际的。

虽然科学家们已经很好地研究了人类微生物组的成分，但是微生物群里约有超过800万个基因还是未知的，并且它们的调控机制很大程度上没有得以描述。这方面的知识空白，部分原因也是由于很难获取大量适合微生物群功能研究的样品。

为了解决这些问题，这个科学家小组开发出一种方法，可让受试者在家里收集微生物样品，然后将其运至实验室进行多种类型的分子分析。尽管采用不同的取样方法，微生物种类、基因和基因转录组成，在所有样品中都是一致的。随后对这些样品进行的分析显示，测量的人类微生物组的功能潜力和功能活性之间存在着有趣的异同点。

在这项研究中，研究人员在一个表型良好的前瞻性队列中，利用受试者自己收集的人体多部位样品，结合表型分类学、宏基因组学和宏转录组（metatranscriptional）谱，进行了第一个人类微生物组研究。结果详细描述了肠道菌群基因组潜能和基因表达之间的关系，论证了在受试者收集和运输的样品中开展宏转录组研究的可行性。

福赛思研究所的工作人员Jacques Izard博士、哈佛大学公共卫生学院的Curtis Huttenhower博士和麻省综合医院的Andrew Chan博士共同合作，设计了固定剂的选择和取样流程。

Izard博士说：“我们感到兴奋的是，这种方法提供了将来进行大规模研究的机会。随着测序技术的灵敏度和计算工具的改进，我们可以检测到很细微的变化。我们的合作小组证明，我们可以分析受试者自己收集和运输的样品，为将来生物标志物的发现建立了自信。”

Chan博士指出：“多项纵向的哈佛队列研究——包括护士健康研究和健康专业人士随访研究，追随了居住在美国的超过200,000个人。在过去的30年中，参与者为我们提供了关于饮食、生活方式和多种疾病诊断方面的大量前瞻性信息。在这项工作中，我们论证了这些参与者自己在家中收集样品的可行性。如果能将这种收集法应用于更大队列中，那对于将微生物组作为多种慢性疾病危险因素的研究来说，将是一个很好的机会。”

（生物通：王英）

延伸阅读：《自然通讯》：生活方式决定肠道微生物。

生物通推荐原文摘要：
Relating the metatranscriptome and metagenome of the human gut
Abstract: Although the composition of the human microbiome is now well-studied, the microbiota’s >8 million genes and their regulation remain largely uncharacterized. This knowledge gap is in part because of the difficulty of acquiring large numbers of samples amenable to functional studies of the microbiota. We conducted what is, to our knowledge, one of the first human microbiome studies in a well-phenotyped prospective cohort incorporating taxonomic, metagenomic, and metatranscriptomic profiling at multiple body sites using self-collected samples. Stool and saliva were provided by eight healthy subjects, with the former preserved by three different methods (freezing, ethanol, and RNAlater) to validate self-collection. Within-subject microbial species, gene, and transcript abundances were highly concordant across sampling methods, with only a small fraction of transcripts (<5%) displaying between-method variation. Next, we investigated relationships between the oral and gut microbial communities, identifying a subset of abundant oral microbes that routinely survive transit to the gut, but with minimal transcriptional activity there. Finally, systematic comparison of the gut metagenome and metatranscriptome revealed that a substantial fraction (41%) of microbial transcripts were not differentially regulated relative to their genomic abundances. Of the remainder, consistently underexpressed pathways included sporulation and amino acid biosynthesis, whereas up-regulated pathways included ribosome biogenesis and methanogenesis. Across subjects, metatranscriptional profiles were significantly more individualized than DNA-level functional profiles, but less variable than microbial composition, indicative of subject-specific whole-community regulation. The results thus detail relationships between community genomic potential and gene expression in the gut, and establish the feasibility of metatranscriptomic investigations in subject-collected and shipped samples.