宏基因组学

次级代谢产物细菌基因组学宏基因组学

最近的研究不再反复确认口腔和全身疾病的生物标志物，而是聚焦于确定统一的微生物学临床诊断标准，以应对个体差异造成的异质性。本综述中，作者依据是否有明确的研究假设，将现有研究分为技术驱动型和假设驱动型。这种划分方法揭示了口腔微生物学研究方向的转变。基于这一转变，作者提出建立明确的假说可能是解决重大研究挑战的方法。

技术驱动假设驱动口腔菌群宏基因组学致病机制

宏基因组学

诸奇赟+黄适：OGU一种不依赖分类学的宏基因组分析方法

与16S rRNA基因扩增子测序相比，宏基因组学是一种强大的但在计算上具有挑战性的技术，可用于解析微生物群落组成和结构。目前，对于宏基因组数据的分析主要基于分类学，但在特征解析方面存在一定的局限性。亚利桑那州立大学的诸奇赟和香港大学的黄适作为共同第一作者，与加州大学圣地亚哥分校的Rob Knight团队合作在mSystems上发表文章，开发了一种新的宏基因组分析策略—操作基因组单位（OGU），OGU法不依赖于分类学，直接利用序列比对鉴定到的单个参考基因组作为评估微生物群落多样性的最小单位。Woltka（https://github.com/qiyunzhu/woltka）是实现该方法的生物信息学工具，已集成在QIIME2软件包和Qiita平台中，未来，将促进宏基因组学研究中广泛采用OGU方法。

宏基因组学研究论文生物信息学分析鸟枪法宏基因组测序

心血管

李菁等：发现新的产TMA肠菌，或促动脉粥样硬化

氧化三甲胺（TMAO）是一种肠源性的菌群相关代谢产物，其在宿主肝脏中合成，在心脏疾病中扮演着重要角色。前体三甲胺（TMA）的生成离不开肠道菌群的参与。肠道中的部分菌群可产生三甲胺裂解酶，将直接饮食摄入或间接生成的胆碱、甜菜碱、肉碱类和TMAO转化为TMA，后者经门脉循环进入肝脏并被黄素单加氧酶氧化生成TMAO。TMAO是包括心血管疾病在内的许多慢性疾病的潜在风险因子。来自中国药科大学的李菁、齐炼文和尚靖与团队发表在NPJ Biofilms and Microbiomes上的一项研究系统分析了人类肠道菌群中能产生TMA裂解酶的菌属，并首次报告了一个产生TMA的Lachnoclostridium属细菌L. saccharolyticum WM1，它在动脉粥样硬化患者中大量存在。因此靶向Lachnoclostridium属细菌可能成为治疗动脉粥样硬化的潜在治疗靶点。

心血管菌群-疾病关联性三甲胺三甲胺裂解酶肠道菌群

噬菌体

Nature子刊：从大量宏基因组数据中对病毒基因组进行分箱

人类肠道病毒组及其与胃肠道细菌的相互作用目前尚不清楚，是由于缺乏全病毒组数据集以及当前识别宏基因组数据中病毒序列的方法存在局限性。在此，作者将基于深度学习的宏基因组分箱算法与配对的宏基因组和宏病毒组数据集相结合，开发了来自宏基因组分箱的噬菌体(PHAMB)，这种方法允许直接从大量宏基因组数据中分箱数千个病毒基因组，同时能够将病毒基因组聚类成准确的病毒分类种群，PHAMB 工作流程可在 https://github.com/RasmussenLab/phamb 获得。

噬菌体基因组组装算法宏基因组学噬菌体生物学分箱

宏基因组学

基于鸟枪法读长开展细菌菌株的计算分析

确定菌株水平的微生物组成至关重要，这项研究调查了 20 种计算工具，试图从鸟枪读长中推断出细菌菌株的基因组，并第一次讨论了这些工具背后的方法。作者还在相同数据集上系统地评估了六种新型菌株靶向工具，发现 BHap、mixtureS 和 StrainFinder 的性能优于其他工具，但由于最佳工具的性能仍然欠佳，作者讨论了可能解决这些限制的未来方向。

宏基因组学鸟枪法测序工具比较细菌菌株菌株基因组重建

计算平台和环境

Nature：Robert C Edgar等开发Serratus可处理PB级序列并建立全球最大病毒组数据库

我们需要对病毒多样性进行全球监测，以改进对未来流行病的预测和预防，受高通量测序可用性增加的推动，序列分析的计算成本仍然很高，尤其是将短读长组装成重叠群，这限制了分析样本的广度。为了促进全球病毒发现，作者提出了一种替代的基于比对的策略，它比组装便宜得多，并且能够处理大量数据集，作者开发了用于超高通量序列比对的 Serratus 云计算基础设施，筛选了 570 万个生态多样化的测序文库或 10.2PB 的数据，识别地球的病毒组是为下一次大流行做准备的基本步骤。 (v0.3.0) 可在 https://github.com/ababaian/serratus上获取。

计算平台和环境数据挖掘乙型肝炎病毒宏基因组学 SARS-CoV-2

纳米孔

纳米孔自适应采样：一种富集宏基因组样本中低丰度物种的方法

对于研究 DNA 分子长度对自适应采样效率和功效的影响，以确定其对宏基因组组装基因组（MAG）和诊断应用的有用性，在本文中，作者提出了一个数学模型，该模型可以在已知的相对丰度和读长长度分布的情况下预测宏基因组群落中可能的富集水平。使用合成落，作者证明模型的预测与观察到的行为密切相关，并量化了采用自适应采样对流动池产量造成的负面影响。

纳米孔自适应采样宏基因组学测序富集

菌群-药物互作

Nature：阿卡波糖降糖不理想？有菌群酶让药失活

阿卡波糖源自土壤细菌，能通过抑制α-葡糖苷酶来减少生物体对复杂碳水化合物的代谢。这一作用机制使得阿卡波糖被开发为抗糖尿病药，能改善患者的餐后血糖。但阿卡波糖也会抑制细菌的α-葡糖苷酶，从而对人体菌群造成影响。那么人类微生物组中是否也存在抵抗阿卡波糖的机制呢？为了解答这一问题，美国普林斯顿大学Mohamed S. Donia作为通讯作者，与罗格斯大学、上海交通大学的赵立平团队合作，通过宏基因组学、生化和结构生物学方法，找到了在人体菌群中广泛存在的能让阿卡波糖失活的细菌酶（Maks），并通过分析已发表的临床试验数据（https://www.mr-gut.cn/papers/read/1088753988），初步证实了这类酶可能是削弱阿卡波糖对糖尿病治疗效果的“罪魁祸首”。该研究还进一步找到了能生成阿卡波糖样分子的人类口腔细菌，提示Maks可能是人体菌群抵抗这种内源性阿卡波糖的适应性策略。总之，该研究为菌群-药物互作提供了又一个范式，或能在临床上指导糖尿病患者用药。相关成果已在Nature发表，值得专业人士关注。

菌群-药物互作阿卡波糖细菌酶 2型糖尿病口腔菌群

共生总基因组

Nature Reviews：用全基因组学解析宿主与菌群的互作（综述）

全基因组学（Hologenomics，或称“共生总基因组学”）研究旨在通过对宿主基因组和微生物群宏基因组的综合分析，进一步解析宿主-微生物群的相互作用。Nature Reviews Genetics发表的这篇长综述，讨论了设计全基因组学研究的关键考虑因素，并概述了这些研究可以解决的重要生物学问题。

共生总基因组菌群-宿主互作综述基因组学宏基因组学

单细胞基因组学

通过单细胞基因组学和宏基因组学的整合框架从人类菌群中恢复菌株水平的基因组

在这项研究中，作者开发了一个单细胞基因组学和宏基因组学集成框架 (SMAGLinker)，可以一次性从菌群中恢复多个菌株的高质量（HQ）基因组。作者使用微流体技术辅助方法来获得大量用于引导分箱的单细胞扩增基因组（SAGs）,利用SMAGLinker检测模拟群落和人类菌群样本，以比较传统宏基因组学和单细胞(sc)-宏基因组学之间的序列准确性和 HQ 基因组数量。作者还应用 sc-宏基因组学来获取菌株水平的基因组，并验证宿主-质粒关联以及源自宏基因组分箱中多个不同物种的聚合序列的存在。SMAGLinker 可在 https://github.com/kojiari/smaglinker 获得。

单细胞基因组学菌株水平宏基因组学分箱

粪菌移植

Nature子刊：精确定量描述粪菌移植后菌株的长期植入情况

粪菌移植（FMT）已成功应用于治疗复发性艰难梭菌感染，但缺乏一种精确的方法来测量哪些细菌菌株能稳定地植入到受者体内，并评估它们与临床结果的关系。Nature Microbiology发表的一项研究，开发了Strainer算法，可以对FMT后的肠道细菌菌株进行定量分析，描述菌株在受体中长期稳定的植入情况，从而解释患者的预后。

粪菌移植菌株定殖宏基因组学肠道菌群

菌群-宿主互作

Cell子刊：多重功能宏基因组学分析，挖掘菌群影响宿主的效应物

肠道菌群产生的效应分子（如蛋白质和小分子），是其与宿主相互作用的一个主要方式。Cell Reports近期发表的一项研究，建立了一个由14个婴儿粪便菌群构建的宏基因组文库，并对其进行大规模筛选以寻找可能影响宿主细胞免疫、自噬和氧化还原电位的效应物。这一研究方法和相关发现，扩展了人们对调节宿主途径的菌群效应物的认知，有助于深入研究共生微生物影响宿主的分子机制。

菌群-宿主互作效应物婴儿肠道微生物组宏基因组学

真菌

FROGS：分析真菌多样性的强大工具

检测真菌最常用的标志物是 ITS，但有一个主要缺陷：PCR可能会在大量真菌中产生非重叠的读长。当这些读长被过滤掉时，传统的宏条形码流程会丢失部分信息，从而产生关于所研究环境的组成和结构的有偏差的图片。本研究开发了一种解决方案-FROGS工具，可以处理包括重叠和非重叠在内的整个读长集，从而提供更准确的真菌群落表征。作者使用模拟数据和真实数据进行对比测试证明了其解决方案的有效性，大家可通过命令行或基于 Galaxy 的 Web 界面使用该解决方案。

真菌 ITS 宏条形码工作流程扩增子

噬菌体宿主

朱怀球团队：从宏病毒组中识别噬菌体片段宿主的工具HoPhage

借助宏基因组学技术，鉴定出大量无法培养的新型噬菌体，与自然携带直接宿主信息的传统基于培养的方法相比，宏基因组方法，尤其是宏病毒组，缺乏噬菌体与其细菌宿主之间的联系。因此，对开发用于短噬菌体片段宿主识别的计算工具的需求不断增加。北京大学朱怀球团队近期在Bioinformatics发表的研究中，考虑到真实群落宏基因组数据中的噬菌体片段长度较短，微生物群落的分类组成复杂，开发了HoPhage（噬菌体宿主），并展示了它在更广泛的候选宿主范围内识别短噬菌体片段宿主的良好性能。HoPhage 可在网址 http://cqb.pku.edu.cn/ZhuLab/HoPhage/ 中使用。

噬菌体宿主宏病毒组深度学习片段长度宏基因组学

宏基因组学

Nature子刊：刘洋彧、Rob Knight等评测不同宏基因组物种定量方法及其对结果的影响

本文通过严谨的论证分析，量化了宏基因组学物种分类工具所产生的两种相对丰度类型的差别，对于混淆两种丰度所产生的影响进行了全面系统地研究。作者通过数据模拟，对宏基因组物种分类工具的输出结果进行了深度解读，提出了基于不同丰度类型的双层评价标准，为解决微生物组研究中如何选择宏基因组学物种分类工具的问题提供了重要依据，也对微生物组标准化研究提出了一系列建设性的意见。作者呼吁整个菌群研究界应更多地关注由于忽视序列丰度和物种丰度之间的区别而引起的潜在误导性生物学结论。本文第一作者是哈佛大学医学院的孙政博士和加州大学圣地亚哥分校的黄适博士，Rob Knight教授和刘洋彧教授为本文的通讯作者。

宏基因组学序列丰度物种丰度物种分类工具 DNA-to-DNA

野生动物肠道菌群

Science：野生动物肠道菌群——有待深入挖掘的宝库

很多野生动物——比如食腐动物，能吃感染了病原体或含有毒素的食物，而不会生病。这种特别的免疫功能是否与它们的肠道菌群有关？Science最新发表的研究，通过宏基因组学方法，深入分析了近200种野生动物的肠道菌群，揭示出其多样性和功能景观以及在基础研究和转化应用方面的巨大潜力。

野生动物肠道菌群宏基因组学

人体肠道噬菌体

Cell：迄今最大的人类肠道噬菌体基因组数据库

肠道噬菌体对肠道菌群的塑造和演变有重要影响，但目前人们对于肠道噬菌体的了解仍然有限。Cell最新发表的一项研究，建立了迄今为止最全面和完整的人类肠道噬菌体基因组数据库GPD（Gut Phage Database），并利用这一资源分析了人肠道噬菌体的多样性、细菌宿主和全球分布等问题。

人体肠道噬菌体宏基因组学数据库

宏基因组学

使用PathoFact鉴定宏基因组中毒力因子和耐药基因

PathoFact是一个能够高度准确地（分别为0.921、0.832和0.979）和特异性（0.957、0.989和0.994）对毒力因子、细菌毒素和耐药基因进行预测的工具。该工具结合了这些致病因子的预测和可移动遗传元件的识别。通过考虑相关基因的基因组背景，这为分析提供了进一步的深度。此外，PathoFact的毒力因子，毒素和抗菌素耐药基因模块可以独立应用，从而使其成为一个灵活而通用的工具。在预测毒力因子和毒素基因方面，PathoFact优于所有现有的工作流程。在预测抗菌素耐药性方面，它的性能可与一套流程相媲美，而优于其他。PathoFact及其模型和数据库可在https://pathofact.lcsb.uni.lu上免费获得。

宏基因组学毒力因子耐药基因可移动遗传元件模块化

结直肠癌

张家超+翟齐啸：基于肠道菌基因变异的大肠癌预测模型

Gut Microbes近期发表了海南大学张家超和江南大学翟齐啸与研究团队的成果，在肠道微生物单核苷酸变异（SNV）的层面上，构建了能用于区分大肠癌患者和健康人的无创诊断模型，并对在大肠癌中富集的4个SNV进行了功能预测，并进一步探究了这些SNV对大肠癌的疾病特异性。这些SNV在大肠癌肠道菌群的功能变化中的作用值得进一步研究。

结直肠癌单核苷酸变异（SNV）诊断标志物肠道菌群宏基因组学

长读长

Nature子刊：长读长纳米孔宏基因组测序，揭示口腔噬菌体与宿主细菌的相互作用

目前尽管一些宏基因组学研究已经聚焦于口腔噬菌体上，但其依赖于短读长测序。该研究中，作者使用PromethION测序仪进行了人类唾液的长读长宏基因组学研究，其分析整合了PromethION和HiSeq的数据（每个样品> 30 Gb且人类DNA污染少），可鉴定出数百个病毒重叠群。本文中作者的分析显示了增强的桥接功能，以及将噬菌体放置在其宿主基因组环境中并实现其分类学分类的能力，其分析还确定了一个链球菌噬菌体/原噬菌体组和9个巨型噬菌体/原噬菌体。该研究证明了利用PromethION进行的长读长宏基因组学研究在发现噬菌体及其与宿主细菌相互作用中的作用。

长读长宏基因组学口腔噬菌体宿主细菌重叠群

长读长测序

Nature子刊：人类肠道微生物组的高分子量DNA提取、纳米孔测序和宏基因组组装方法

人类肠道微生物组的短读长宏基因组测序和从头基因组组装可产生细菌基因组草图，而无需分离和培养。虽然长读长测序已成功应用于装配连续的细菌分离体基因组，但从粪便样本中提取足够分子量、纯度和数量的DNA进行宏基因组测序仍是一个挑战。在此，作者提出了一种从人类粪便样本中提取微克量的高分子量DNA的方案，该方案适用于下游长读长测序的应用。作者还推出了Lathe (www.github.com/bhattlab/lathe)，这是一种用于长读长碱基检出，装配，长读长或Illumina短读长的一致细化和基因组环化的计算工作流程。总而言之，此方案可以在大约10天内，从2 d的动手实践和计算量下从复杂的人类肠道样本中产生高质量的连续或环状细菌基因组。

长读长测序宏基因组学人类肠道微生物组高分子量DNA 生物信息学

宏基因组学

研究肠道菌群组成和功能的新兴计算工具和模型（综述）

高通量测序、质谱和其他组学分析平台的进步提高了我们生成大量数据的能力，从而能够探索微生物群落组成和功能的时间变化。方法和工具是阐明机制必需的，其可以对时序数据中的依赖性进行严格建模。纵向数据通常是稀疏且采样不均匀的，在确定统计显著性，跨不同数据类型进行归一化以及模型验证方面仍然存在不小的挑战。本综述重点介绍了用于分析时间序列微生物组和代谢组数据以及整合这些数据的模型和软件工具的最新发展。

宏基因组学时间序列建模多组学纵向差分丰度

宏基因组学

Cell子刊：人体菌群中天然CRISPR系统和靶标的鉴定

本研究使用2355个宏基因组对整个人体菌群中的CRISPR位点和cas基因进行了分析，通过将间隔区序列与每个样品的宏基因组和相应的基因家族对齐，从而产生了290万个间隔区的功能和分类学概况，进而进行了CRISPR系统的分类和功能表征，与cas基因丰度的定量一起，本文揭示了CRISPR-Cas系统及其靶标的潜在作用，以及细菌与病毒关系的进化特性和原理。该研究也提供了人类菌群中天然CRISPR-cas基因座和靶标的全面数据库。

宏基因组学 CRISPR-Cas CRISPR系统噬菌体

病原体检测

Nature子刊：mNGS实现对体液样本的快速病原体检测

Nature Medicine近期发表研究，介绍了一种两大测序平台（illumina和nanopore）通用的基于体液样本的快速病原体检测方法，或有临床应用价值。

病原体检测宏基因组学二代测序医学研究

宏基因组学

Metalign: 一款快速、准确的宏基因组定量软件

宏基因组分析，预测样品中微生物的存在和相对丰度，是微生物组分析中至关重要的第一步。传统的比对工具如bowtie、bwa等速度太慢，而只基于k-mer的salmon、kraken等速度快但又不够准确。本文提出了一种新颖的方法Metalign，结合了k-mer和比对两种方法，该方法可以执行高效且准确的基于比对的宏基因组分析。作者使用一种新颖的控件最小哈希(containment min hash)算法在比对之前对参考数据库进行预过滤，然后处理唯一对齐和多对齐的读长，以产生准确的丰度估计。在真实数据集和模拟数据集的性能评估中，Metalign是目前综合优势最好的比对定量工具。

宏基因组学丰度估计比对分析定量

16s

哈佛Huttenhower组综述菌群的株水平研究

本文是宏基因组菌株研究系列软件开发团队、iHMP项目数据整合分析负责人Huttenhower课题组撰写的综述，回顾了菌株的操作定义（例如遗传和结构变异），使用不同的高通量技术（通常为不依赖于培养的技术）从微生物群落中鉴定出菌株。作者总结了菌株在人体的分布和多样性，以及它们与健康维护、疾病风险和进展的新联系，以及对饮食或药物等扰动的生化反应。文中列出了利用高通量测序以及其他分子和“培养组学”技术鉴定，定量和追踪菌株的方法，最后作者讨论了人口群体水平中实验研究缺乏的现状，以及更好地了解菌株对人类微生物组健康影响方面的意义。

16s 微生物菌株微生物群落微生物组宏基因组学

微生物组

宏基因组学能回答什么问题？什么不能？（综述）

本文介绍了使用宏基因组学的优势，以及当前可用的分析工具得出的结论的范围，例如跨门和功能组成在物种和菌株水平的高分辨率，同时强调了宏基因组学数据分析的挑战，且表明将来技术和方法的改进和创新将导致成本降低，并预期我们将不仅能够表征复杂的微生物群，而且能够操纵群落以实现人类健康、农业和环境可持续性发展的结果。

微生物组宏基因组学 DNA测序微生物学计算生物学

可移动遗传元件

怎样分析微生物组的可移动基因组（综述）

可移动遗传元件（MGE）主要包括质粒、转座因子和噬菌体等，可影响由选择压力驱动的微生物群落组成及其与宿主的关系，参与耐药基因和毒力因子的传播。MGE在微生物组研究中正在受到越来越多的关注。《Trends in Microbiology》近期发表的综述文章，重点阐述了不同宏基因组学方法在MGE研究中的优势和局限性，探讨了其中的测序和生信分析方法的应用，值得专业人士参考。

可移动遗传元件宏基因组学生物信息学

孤独症谱系障碍（ASD）

南京医科大学刘星吟团队发表孤独症与肠道菌群研究的重要成果

南京医科大学刘星吟团队在《Gut Microbes》发表孤独症中肠道菌群研究的重要成果，为了探讨不同年龄结构的孤独症患者的肠道菌群组成及差异、完善孤独症患者胃肠道功能异常的临床诊疗方法、深入研究孤独症患者的肠道菌群组成、菌群代谢物同胃肠道症状之间的潜在关系以进一步探讨孤独症患者的肠道菌群结构同年龄和代谢之间的关系，作者采用扩增子、宏基因组和代谢组等技术，建立了高效的诊断模型，为孤独症的诊疗提供基于肠道菌群的辅助诊疗方案，并揭示肠道菌群的代谢物参与了神经递质的代谢途径，为从肠-微生物-脑轴揭示自闭症的病理机制奠定了基础。

孤独症谱系障碍（ASD）肠道菌群 16S rRNA基因测序宏基因组学代谢组学