宏基因组测序讲解

宏基因组测序宏基因组测序 目的目的 研究藻类物种的分类 研究与特定环境与相关的代谢通路 以 及通过不同样品的比较研究微生物内部 微生物与环境 与宿主的 关系 技术简介技术简介 宏基因组 Metagenome 也称微生物环境基因组 Microbial Environmental Genome 或元基因组 是由 Handelsman 等 1998 年提出的 新名词 其定义为 the genomes of the total microbiota found in nature 即生境中全部微小生物遗传物质的总和 它包含了可培养的和未可 培养的微生物的基因 目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和 而 所谓宏基因组学 或元基因组学 metagenomics 就是一种以环境样品中的微 生物群体基因组为研究对象 以功能基因筛选和 或测序分析为研究手段 以 微生物多样性 种群结构 进化关系 功能活性 相互协作关系及与环境 之间的关系为研究目的的新的微生物研究方法 一般包括从环境样品中提取基 因组 DNA 进行高通量测序分析 或克隆 DNA 到合适的载体 导入宿主菌体 筛选目的转化子等工作 宏基因组 Metagenome 也称微生物环境基因组 Microbial Environmental Genome 或元基因组 是由 Handelsman 等 1998 年提出的 新名词 其定义为 the genomes of the total microbiota found in nature 即生境中全部微小生物遗传物质的总和 它包含了可培养的和未可 培养的微生物的基因 目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和 而 所谓宏基因组学 或元基因组学 metagenomics 就是一种以环境样品中的微 生物群体基因组为研究对象 以功能基因筛选和 或测序分析为研究手段 以 微生物多样性 种群结构 进化关系 功能活性 相互协作关系及与环境 之间的关系为研究目的的新的微生物研究方法 一般包括从环境样品中提取基 因组 DNA 进行高通量测序分析 或克隆 DNA 到合适的载体 导入宿主菌体 筛选目的转化子等工作 特定生物种基因组研究使人们的认识单元实现了从单一基因到基因集合的 转变 宏基因组研究将使人们摆脱物种界限 揭示更高更复杂层次上的生命运 动规律 在目前的基因结构功能认识和基因操作技术背景下 细菌宏基因组成 为研究和开发的主要对象 细菌宏基因组细菌人工染色体文库筛选和基因系统 学分析使研究者能更有效地开发细菌基因资源 更深入地洞察细菌多样性 如 宏基因组成为生物催化剂的新来源 宏基因组学研究的策略和基本过程宏基因组学研究的策略和基本过程 研究策略研究策略 宏基因组学 是一种整体性的研究策略 它建立在微生物基因组学的迅 速发展和聚合酶链式反应广泛应用的基础之上 是一种不依赖于人工培养的微 生物基因组分析技术 涵盖了生物信息统计分析和基因组两方面的意义和技术 其策略是从特定环境中直接分离所有微生物 DNA 将大片段的 DNA 克隆到受体 菌中表达 然后根据某些生物活性筛选有应用价值的克隆 包括两个方面 9 20 宏基因组文库的构建 宏基因组文库的构建沿用了分子克隆的基本 原理和技术方法 并根据具体环境样品的特点和建库目的采用了一些特殊的步 骤和对策 一般包括样品总 DNA 的提取 与载体连接和在宿主细胞建立中克隆 1 7 宏基因组文库的筛选 根据其研究目的 宏基因组文库筛选通常有 功能筛选 functional screening 和序列筛选 sequence based screening 两 种方法 2 宏基因组学的研究步骤宏基因组学的研究步骤 基因组学的研究过程 一般包括从环境样品中提取基因组 DNA 克隆 DNA 到合适的载体 导入宿主菌体 筛选目的克隆等 4 个步骤 特别要指出的是 在基因组学研究领域中 其研究目标通常是测定单一物种的基因组序列 而在 宏基因组学中 则是要测定由多种微生物组成的复杂群体 community 的混合基 因组序列 这种差别的关键就是 绝大多数细菌是不可培养的 因此没有足够 的研究材料 2 1 分离特定环境生物 DNA 方法上不同于传统的先培养微生物再提取 DNA 的做法 而是首先直接收集 能够代表特定生物环境生物多样性的样品 然后利用各种理化方法破碎微生物 使其释放 DNA 再利用密度梯度离心等方法进行分离纯化 2 2 纯化的大分子量 DNA 进行克隆 在对 DNA 酶切或者超声打断处理 并与合适的载体 DNA 进行连接 构建重 组体 2 3 将带有宏基因组 DNA 的载体通过转化方式转入模式微生物建立各自的 无性繁殖系 例如转入大肠埃希菌中 使那些以前无法研究的不可培养微生物的 DNA 在 模式微生物中得到复制 表达 进而得到研究 所有带有宏基因组 DNA 载体的 模式微生物克隆构成宏基因组文库 2 4 对宏基因组文库的 DNA 进行分析 基于不同的研究目的 有很多分析方法 主要分为两类 一类为表型功能 筛选 即利用模式微生物表型的变化筛选某些目的基因 例如从文库中筛选能 表达抗菌物质的克隆 功能分析法根据重组克隆产生的新活性进行筛选 可用 于检测编码新型酶的全部新基因或者获取新的生物活性物质 另一类为序列基 因型分析 即对文库中所有或部分的 DNA 进行测序分析 以应用于生态学研究 例如分析文库中 16SrRNA 序列 对所研究生态环境的多样性进行评估 一个典 型的宏基因组分析涉及多个轮次 以确保从生态环境标本中分离到目的基因 及尽可能多地分析 DNA 序列所编码的信息 3 宏基因组学的技术方法宏基因组学的技术方法 宏基因组学是一种以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象 以功能 基因筛选和测序分析为研究手段 以微生物多样性 种群结构 进化关系 功 能活性 相互协作关系及与环境之间的关系为研究目的的新的微生物研究方法 宏基因组学的研究策略和方法大致相同 现按照宏基因组学研究的基本过程和 策略对常用方法和技术予以简要介绍 3 1 样品总 DNA 的提取及基因或基因组 DNA 的富集 提取的样品 DNA 必须可以代表特定环境中微生物的种类 尽可能代表自然 状态下的微 生物原貌 获得高质量环境样品中的总 DNA 是宏基因组文库构建的关键之 一 要采用合适的方法 既要尽可能地完全抽提出环境样品中的 DNA 又要保 持较大的片段以获得完整的目的基因或基因簇 4 5 所以总的提取总是在最 大提取量和最小剪切力之间折中 应严格操作 谨防污染 并且保持 DNA 片段 的完整和纯度 已有许多商品化宏基因组 DNA 提取试剂盒可用 同时很多实验 室仍致力于宏基因组 DNA 提取方法的改进 6 8 常用的提取方法有直接裂解法和间接提取法 细胞提取法 直接裂解法是 将环境样品直接悬浮在裂解缓冲液中处理 继而抽提纯化 包括物理法 如冻融 法 超声法 玻璃珠击打法 液氮研磨法等 和化学法 酶法等 不同直接裂解 法的提取方法差别在于细胞破壁的方式不同 此法操作容易 成本低 DNA 提 取率高 重复性好 但由于强烈的机械剪切作用 所提取的 DNA 片段较小 1 50kb 难以完全去除酚类物质 细胞提取法先采用物理方法将微生物细胞从环 境中分离出来 然后采用较温和的方法抽提 DNA 如先采用密度梯度离心分离 微生物细胞 然后包埋在低熔点琼脂糖中裂解 脉冲场凝胶电泳回收 DNA 此 法可获得大片段 DNA 20 500kb 且纯度高 但操作繁琐 成本高 有些微生物 在分离过程中可能丢失 温和条件下一些细胞壁较厚的微生物 DNA 也不容易抽 提出来 为了更好地反映环境中的微生物种群并且提高阳性克隆的占有率 需要在 克隆之前通过不同的方法对感兴趣的目的基因或基因组进行富集 9 11 一个 比较好的富集方法是稳定同位素示踪技术 12 抑制性消减杂交技术 13 是抑制性与消减杂交技术相结合的更简单 更快 速的分离差异基因的方法 该方法不仅利用了消减杂交技术的消减富集 同时 也利用了抑制性技术进行了高效率的动力学富集 所以该技术是一项富集特定 基因 证实微生物之间基因不同的非常有用的技术方法 3 2 宏基因组文库的建立 宏基因组文库的构建策略取决于研究的整体目标 偏重于低拷贝 低丰度 基因还是高拷贝 高丰度基因要取决于研究的目的是单个基因或基因产物还是 整个操纵子及编码不同代谢途径的基因簇 基因文库的建立过程中需要选择合 适的克隆载体和宿主菌株 传统的方法是直接利用表达载体构建宏基因文库 但是表达载体可插人的宏基因片段一般小于 10kb 克隆中宿主菌株的选择主要 考虑到转化效率 宏基因的表达 重组载体在宿主细胞中的稳定性以及目标性 状的筛选等 目前大肠杆菌是最为常用的宿主 14 此外 链霉菌和假单胞菌 也可以作为构建文库的宿主 不同微生物种类所产生的活性物质有明显差异 不同的研究目标应选择不同的宿主菌株 3 3 宏基因组文库的筛选 由于环境基因组的高度复杂性 需要通过高通量和高灵敏度的方法来筛选 和鉴定文库中的有用基因 筛选技术大致可分为四类 基于核酸序列差异分析 基于目的克隆功能的特殊代谢活性 基于底物诱导基因的表达 基于包 括稳定性同位素和荧光原位杂交在内的其他技术 3 1 基于序列的筛选方法 通常根据已知相关功能基因的保守序列设计探针或 PCR 引物 通过杂交或 PCR 扩增筛选阳性克隆 用这种方法有可能筛选到某一类与已知序列相近的新 基因 这一策略可以分离已知基因家族的新成员和含有高度保守区的酶基因 15 16 另一种方法是对含有 16S rRNA 等系统进化锚定基因的克隆进行测序 或对文库随机测序 17 优点是不必依赖宿主菌株来表达克隆基因 缺点是必 须对相关基因序列有一定的了解 文库中那些和现有基因序列完全不一样的基 因无法被筛选 故难以发现全新的活性物质 对鉴定新的基因成员有一定的局 限性 也很难获得全序列 直接序列分析法 sequence driven screening method 是对所构建宏基因 组文库的克隆进行随机测序分析 显然可以得到最多的信息 18 20 也可用 鸟枪法对宏基因组文库进行测序 但需要进行大量的测序和分析工作 需大量 人力 物力及财力 虽然 DNA 序列分析技术不断发展 但与个体微生物基因相 比 宏基因组文库包含着巨大的序列片段 但对这些序列片段进行后续的分析 则极为困难 结合其他的筛选方法可以得到更多的信息 用微阵列技术 基因芯片 进行初步筛选 可以很大程度上减少测序量和后 续的序列拼接等工作量 但微阵列技术在用于宏基因组文库筛选时 除了其本 身由于交互杂交等导致的特异性低 灵敏度较差等缺点外 同样不能用于对未 知功能基因的筛选 且检测不到环境中存在的那些低丰度微生物的序列 21 22 3 3 2 基于功能的筛选方法 功能性筛选法是以活性测定为基础 通过建立和优化合适的方法从基因组 文库中获得具有特殊功能的克隆 然后通过序列和生化分析研究这些克隆 由 于基于活性的筛选不需要已知序列的信息 故能较快地找到可用于工农业和医 药的蛋白质和天然产物 功能性筛选的方法有两种 一种是对具有特殊功能的 克隆子进行直接检测 如利用其在选择性培养基上 如含有化学染料和不可溶的 或发光的酶反应底物 的表型特征进行筛选 23 这种方法具有较高的灵敏度 可检测到较少的目的克隆 另一种方法是基于异源基因的宿主菌株与其突变体 在选择性条件下功能互补生长的特性进行 24 功能性筛选法的优点是筛选过程比较简单 快速 只要基因能表达 就可 以根据基因表达特性进行筛选 不需要复杂的实验过程 不足之处是这种筛选 方法依赖于目的基因在新的宿主中表达 但使用模式微生物并不能把所有的宏 基因组 DNA 表达出来 而且要求克隆到基因或基因簇的全长 一旦克隆过程中 破坏基因某个组件将使得基因没法表达 也就不能根据功能进行筛选 故检出 的概率很低 工作量大 往往从上万个克隆中只能筛选到几个有用的克隆 3 3 3 底物诱导基因表达筛选 substrate induced gene expression screening SIGEX SIGEX 是用于能利用各种底物诱导的分解代谢型基因的检出 并结合生物 发光技术用 来筛选代谢相关基因及酶基因 25 由于编码相关代谢基因或酶基因通常 呈簇存在 通常与该物质诱导的启动子和同源转录调控序列毗邻 往往在有底 物诱导的条件下才表达 反之则不表达 首先构建一个含有绿色荧光蛋白 GFP 的表达载体 这个载体可将宏基因组 DNA 克隆到 GFP 基因上游 使该基因的表 达受到宏基因组 DNA 片段中的启动子调控 当外加目标底物时 可以影响 GFP 的表达 进而通过活细胞荧光分离技术 fluorescence activated cell sorting FACS 在添加特定底物的条件下对表达库进行筛选 就能够得到对 该底物具有代谢活性的克隆 SIGEX 在宏基因组研究中具有很多优势 它提供了一个有效的和经济的检 测手段 大大增加了筛选的容量和效率 节省了时间 为高通量筛选提供了保 障 而且不需要对在颜色筛选中使用的底物进行修改 勿需担心因修改底物而 产生毒性 且可以从底物来推断得出未知的酶 继而推断基因的功能 而 SIGEX 法的不足之处是目标基因的结构性和适应性很敏感 同时 无法用于分 析不能进入细胞质的底物 而且 FACS 对进样设备的要求也比较高 代谢特定底 物的调控子和操纵子在位置上不一定都相邻 同时有些基因的表达除了受底物 诱导外 还可能受其他因子的诱导 而有些基因并不需要诱导 是本底水平表 达的 有些可诱导基因在新的宿主中有可能不可被诱导表达 但是考虑到宏基 因组文库中含有大量的基因 其中必然有一部分是可诱导的 是可以被该技术 检测到的 所以只要对这些不足之处进行优化 选择合适的条件 SIGEX 法仍 然是一种宏基因组文库筛选的有效方法 尤其适合于在工业上使用 26 3 3 4 基于稳定性同位素技术筛选方法 具有相同原子序数但不同中子数目且不具放射性的元素称为稳定同位素 stable isotope