metagenomics

计算方法是菌群研究的关键，获得定量且无偏的性能评估对方法开发者和应用研究者很重要。为了在方法之间进行有意义的比较，确定最佳实践和常用示例数据并减少基准测试的计算成本，有必要使用标准化的数据集、过程和度量标准进行评估。在本教程中，作者描述了由较大的研究人员群体共同确定的计算宏组学基准测试中的新兴标准。作者解释了最相关的评估指标，用于评估宏基因组装配/组装，分箱和分析结果，并提供有关如何生成它们的分步说明。本教程将为同行提供参考，并有助于在菌群研究中提供信息丰富且可重复的基准测试。

菌群研究计算方法 CAMI数据集软件性能评测宏基因组

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

普雷沃氏菌

Cell子刊：未知肠道普氏菌种的发现与解密——多糖利用能力越高，竞争力越强？

普雷沃特氏菌(Prevotella)具有菌种多样性，是人类肠道中的优势菌属，特别是在饮食富含蔬菜的人群中。Cell Host & Microbe发表文章揭示了小鼠肠道菌群中尚未定义的Prevotella菌种，并阐述了它们是如何‘干掉’同属其它菌株，最大化竞争优势。其中至少三个关键菌株被成功分离、复活，基因测序纳入数据库，为后续研究提供更多可能性。

普雷沃氏菌多糖利用位点 Prevotella spp . diet competition

微生物组不良事件

微生物组不良事件的挑战与机遇（综述）

在过去的微生物组研究中，人们了解到共生微生物群与药物、辐射和外科手术等医疗干预措施之间的许多不良相互作用。如果我们能改变我们的微生物群来预防这些事件呢？发表在Annual Review of Pharmacology and Toxicology的一篇综述文章，讨论了减轻微生物组不良事件（Microbiome adverse event，MAE）的潜在途径，包括微生物组基因工程等新兴领域的应用。了解和预防微生物组不良事件充满了挑战，这需要数据驱动的方法，包括因果推理、多组分技术分析以及针对不同人群的个性化手段等。

微生物组不良事件 Microbiome engineering adverse drug response metagenomics personalized medicine

肠-脑轴

Cell子刊：肥胖可通过菌群损伤记忆

近期研究表明，学习和记忆与肠道菌群及其代谢物存在关联。Cell Metabolism发表的一项最新研究，探索了肠道菌群与记忆功能的关系，以及肥胖带来的影响，表明肠道菌群对芳香族氨基酸的代谢作用，可能对记忆功能有重要影响。

肠-脑轴记忆 cognition Memory Microbiome

肥胖

国内团队：肠道菌群与内脏脂肪的密切关系

上海交通大学附属第六人民医院包玉倩、Haoyong Yu与团队，近期在Computational and Structural Biotechnology Journal发表研究，通过宏基因组关联研究，揭示了多种肥胖参数与肠道菌群组成和功能的关系，其中内脏脂肪与菌群的关联最强。

肥胖 gut microbiome Obesity Visceral fat Laparoscopic sleeve gastrectomy

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

肠-骨轴

Cell子刊：温热环境增强骨骼强度，也与肠道菌群有关？

骨质疏松是常见的代谢性骨病，以骨量低和微结构退化为特征，尤其高发于绝经后的老年女性。Cell Metabolism发表的一项最新研究发现，温热环境可通过增强肠道菌群的多胺生物合成功能，改善小鼠的骨骼强度、减少骨质疏松，对人类数据的荟萃分析也支持温度对骨骼健康的影响。

肠-骨轴骨质疏松 Osteoporosis microbiota bone

甜味剂

甜味剂和高脂膳食或可导致代谢内毒症

研究用不同的甜味剂干预大鼠饮水4个月。结果发现，不同的甜味剂对大鼠的影响不同。但总体看来，甜味剂与高脂膳食共同作用，可以特定性的影响大鼠肠道菌群，通过LPS和SCFA相关代谢途径影响代谢内毒症的发生。

甜味剂代谢性内毒素血症 metabolic endotoxemia natural and artificial sweeteners high-fat diet

菌种保藏

微生物组“生物银行”的建设面临巨大挑战（综述）

传统上，微生物学研究依赖于分离的可培养微生物，相应的通用型实验技术和分析方法可确保微生物学研究的质量和可重复性。而随着微生物组研究领域迅速发展，微生物学科面临着科学方法的范式转变，即从保存单种培养物转向保存复杂的微生物群落，这就需要发展相应的基础设施。但目前所需的生物库（“Biobanks”）基础设施不够完善，没有为微生物组的研究做好充分准备。发表在Trends in Microbiology上的一项综述文章，讨论了微生物组样本的保藏目的、保藏对象和保藏方法，以及它们应该如何支持微生物组学研究，并指出现有保藏方法的局限性。因此，迫切需要优化及开发菌种保藏和评估方法，以保证复杂微生物样本的功能和组成的完整性。

菌种保藏 Microbiome Biobanks metagenomics cryopreservation

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

Microbiome

Cell子刊：肠道菌群与脂肪肝的研究现状和未来方向（综述）

Microbiome metagenomics non-alcoholic fatty liver disease NAFLD Non-alcoholic steatohepatitis

肠道菌群

桂林医学院：肥胖者的肠道菌群和代谢物的变化

桂林医学院陈健和Keng Po Lai与团队的研究成果。研究通过对肥胖和正常成年人的粪便进行组学整合分析和对比，发现肠道菌群及其代谢物在肥胖的发生和发展中起着重要作用，尤其是肠道菌群代谢物与宿主体内代谢物呈现共变化趋势。同时，显著差异代谢物或可作为肥胖诊断和治疗的靶点。

肠道菌群肥胖 Obesity Metabolite Gut microbiota

酒精性肝炎

酒精性肝炎患者的粪便菌群可反映疾病严重程度

Gut Microbes发表的一项研究，对欧洲和美洲的酒精性肝炎患者的粪便菌群进行分析，揭示了与疾病严重程度等因素相关的菌群变化特征。

酒精性肝炎 16S sequencing Microbiome alcohol-related liver disease metagenomics

细菌-噬菌体互作

Cell子刊：挖掘肠道微生态中的“暗物质”——未知噬菌体

肠道噬菌体是肠道微生态的重要组成部分，但是收到的关注较少。Cell Host and Microbe近期发表研究，通过分离27株多形拟杆菌噬菌体以及基因组分析，发现了在人肠道宏基因组中广泛存在的但未被解析的噬菌体群体，及其感染细菌的相关基因，为研究肠道噬菌体建立的一种可借鉴的方法。

细菌-噬菌体互作 Bacteriophage phage isolation comparative genomics gut microbiome

节律性

Cell子刊：肠道菌群的节律性紊乱特征，或可预测糖尿病风险

生活方式、肥胖和肠道微生物组都是代谢疾病的重要风险因素。《Cell Host and Microbe》发表的一项最新研究，总共对德国3个队列中4000多人的粪便菌群数据进行分析，表明肠道菌群特定成员的相对丰度在一天中呈现节律性震荡，其中一些细菌的节律性在2型糖尿病（T2D）患者中出现紊乱。利用基于13个丧失节律的OTU（涉及普氏栖粪杆菌、大肠杆菌等）预测模型，可较准确的在德国人群中鉴定和预测T2D。该研究还通过宏基因组学方法鉴定出与T2D和肠道细菌节律变化相关的菌群代谢通路，涉及氨基酸、芳香族化合物和脂肪酸的代谢功能等。这些发现提示肠道菌群组成的昼夜震荡及其相关的节律性功能，可能是代谢疾病发生发展中不可忽视的因素，其特征或可用于T2D的辅助诊断和预测，但应注意人群特异性。

节律性 human intestinal microbiota population-based cohorts circadian rhythms diurnal oscillations

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

肝硬化

Cell子刊：肠道菌群特征可用于肝硬化的无创诊断

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）等慢性肝病患者中常见肠道菌群失调，这些菌群变化或能用于相关疾病的无创检测。《Cell Metabolism》发表的一项美国研究，分析了NAFLD肝硬化患者粪便样本中的菌群物种、基因通路和代谢物改变特征及其相互关联，用随机森林机器学习方法，鉴定出适用于不同病因、种族和地区人群的通用肝硬化肠道微生物组特征，结合血液指标还能对肝硬化和早期肝纤维化进行区分。该研究说明，粪便微生物组特征可用于肝硬化的无创诊断，且特定的肠道细菌或许可作为防治肝硬化的新靶点。

肝硬化 Microbiome NASH Non-alcoholic steatohepatitis non-alcoholic fatty liver disease

生牛乳

生牛乳耐药基因 Antimicrobial resistance metagenomics Public health

微生物组

微生物组样本比较的方法与计算挑战（综述）

微生物群落的研究在很大程度上依赖于宏基因组学下一代测序数据集的比较，近年来已针对该数据集设计了多种方法。本文回顾了比较此类数据集的三个主要挑战：物种识别和定量，宏基因组样本之间距离的有效计算以及与表型（如疾病状态）相关的宏基因组特征的识别，考虑到依赖于参考基因组数据库的基于有参的方法和直接基于样品中所有测序读长的无参方法，作者提出了应对此类挑战的当前解决方案。

微生物组宏基因组 Microbiome metagenomics next-generation sequencing

胆固醇代谢

Cell子刊：你的胆固醇水平或由肠道细菌来决定

人类肠道微生物具有强大的代谢能力，但肠道微生物与人类代谢之间互作的机制仍不清楚。《Cell Host and Microbe》近期发表文章，鉴定出肠道细菌的胆固醇脱氢酶，并揭示出胆固醇代谢细菌的出现与宿主的粪便、血清总胆固醇降低相关，可直接影响人类健康。

胆固醇代谢 Microbiome cholesterol coprostanol hydroxysteroid dehydrogenase

肠道菌群

关于肝脂肪变性的大型人体多组学研究

目前已有不少针对肠道菌群与肝脂肪变性的研究，但因为样本数量有限（n ≤ 156）因此结果不统一。本文纳入了1355名成年人（含472名肝脂肪变性患者）进行多组学分析，证明肝脂肪变性患者肠道菌群丰度低，粪球菌属、高氏瘤胃球菌和瘤胃球菌独立于BMI和饮食等混淆因子与肝脂肪变性相关，以及相关代谢物如次级脂肪酸代谢在肝脂肪变性中出现异常。作者呼吁未来还可以细分不同形式的肝脂肪变性，并将患者基因型考虑在内，以期得到更为全面深入的结果。

肠道菌群肝脂肪变性 gut microbiome hepatic steatosis metabolomics

宏基因组数据库

中山大学：人类肠道宏基因组数据库gutMEGA

为了方便科学家查询和检索已发布的肠道菌群宏基因组测序数据，在这项研究中，中山大学第一附属医院的Xiaoxing Li和中山大学附属肿瘤医院的Ze-Xian Liu与团队，开发了肠道宏基因组图谱（gutMEGA），这是一个注释齐全的综合数据库，用于管理和托管来自人类已发表的肠道菌群定量数据集。通过仔细整理肠道菌群的组成，表型和实验信息，gutMEGA最终在776个条件下整合了7种不同水平（界，门，纲，目，科，属和种）的6457类群的59132个定量信息。此外，通过各种浏览和搜索功能，gutMEGA为用户提供了一种快速简便的方法来获取表型之间肠道微生物的相对丰度。总体而言，gutMEGA是用于肠道宏基因组研究的便捷而全面的资源，可以从 http://gutmega.omicsbio.info 免费访问。

宏基因组数据库 Gut microbiota human health metagenomics database

肠道菌群失调

Nature：他汀类药物或能帮助改善肥胖者的肠道菌群健康

此前研究表明，人的肠道菌群或能根据优势细菌的种类，划分为4种肠型。其中Bact2肠型以拟杆菌属占比高、粪杆菌属占比低、微生物密度较低为特征，与系统性炎症和便溏（稀便）存在关联，是潜在的菌群失调肠型。Nature发表的一项最新研究，对欧洲BMIS队列参与者进行了横断面相关性分析，发现Bact2肠型在肥胖人群中明显更加普遍，但在服用他汀类药物（降胆固醇药）的肥胖者中，这一比例从17.7%降到了5.9%。未来需开展随机对照试验，来检验他汀类药物对菌群的组成和健康是否具有调控作用。

肠道菌群失调 Clinical microbiology Metabolic syndrome metagenomics Microbiome

耐药组

呼吸道中的核心耐药组

《American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine》上发表的一项最新研究，对患有严重哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）、支气管扩张等慢性呼吸道疾病的患者及健康人的呼吸道样本进行宏基因组分析，鉴定出了一类以大环内酯类抗生素耐药基因为主的核心耐药组，该核心耐药组与疾病状态及抗生素暴露无关。另外，通过对比分析患者的呼吸道样本及其使用的吸入器，发现两者之间的菌群及耐药组有着很大的重叠，提示吸入器菌群可作为替代，用于评估慢性呼吸道疾病患者的呼吸道菌群。

耐药组 Respiratory disease metagenomics Antimicrobial resistance Macrolides

新生儿肠道代谢组

Nature子刊：细菌定殖重组新生儿肠道代谢组

Nature Microbiology的这篇文章介绍了非裔美国新生儿在生命初期肠道菌群定殖及相关代谢物的变化特点。该研究的亮点包括使用了包括基因组、蛋白组和代谢组在内的多组学研究，认为大肠杆菌虽是兼性厌氧菌，但在新生儿出生后仍处于厌氧环境中生长，暗示新生儿的大肠环境本就是无氧的，而非通常认为的通过兼性厌氧菌消耗氧气促进严格厌氧菌的后续定殖。

新生儿肠道代谢组细菌定殖 metabolomics metagenomics Microbiome

结直肠癌

Cell子刊：大肠癌早期微生物变化具有潜在因果关系

肠道微生物群与结直肠癌（CRC）有关，但其在CRC发生之前的因果改变尚未被阐明。最新发表在Cell Host and Microbe的研究对CRC发生前微生物组的变化进行前瞻性评估。该研究证实，利用微生物组监测腺瘤的效果或许有限，但在结肠肿瘤中，这些早期微生物的变化存在潜在的因果关系。

结直肠癌 metagenomics metatranscriptomics human microbiome Lynch Syndrome

饮用水菌群

消毒影响饮用水中微生物的结构和功能

通过保持一定的消毒剂残留或限制营养能够抑制饮用水中微生物生长，但这些方法对饮用水微生物组的影响尚未全面了解。Microbiome 近期发表的文章，通过比较英国(有消毒剂残留)和荷兰(没有消毒剂残留)的饮用水系统，研究了消毒剂残留对饮用水微生物群落的潜在影响。结果表明，无论饮用水系统(如水源类型、水处理过程等)如何，消毒会影响饮用水中微生物的结构组成和功能。同时，还发现消毒和未消毒系统中相关的代谢基因存在差异。这表明，消毒对饮用水微生物群落的影响不仅与消毒抗性有关，还可能扩展到其他代谢特性，如对碳源和氮源的利用。

饮用水菌群消毒碳氮固定基因氨基酸代谢宏基因组

菌群结构影响因素

肠道菌群组成、功能及耐药组主要受生活方式影响

通过对比不同生活方式下、不同地理区域中的相近物种，可分析宿主生活方式、地理因素及宿主物种对肠道菌群的影响。ISME Journal上发表的一项最新研究，通过对比生活在刚果的野生黑猩猩及大猩猩、生活在野生动物附近的刚果人、生活在美国的圈养黑猩猩及大猩猩的肠道菌群，发现相比于地理因素，菌群的组成、功能及耐药组受到生活方式的影响更大。同时，该研究鉴定出了一系列新的抗生素耐药基因。

菌群结构影响因素 metagenomics microbial ecology Microbiome 耐药组

抗生素抗性基因

中科院微生物所：人、鸡和猪肠道微生物抗生素抗性基因表达谱

肠道微生物是抗生素抗性基因（ARG）的储存宿主。然而，关于肠道微生物中ARG的存在（宏基因组DNA水平）和表达谱（宏转录组RNA水平）的信息有限。中科院微生物研究所高福与团队在《Environment International》发表一项研究，通过宏基因组测序和宏转录组测序对来源于人、鸡和猪肠道微生物中的ARG进行了基因组和转录水平的分析，加深了对ARG在人、鸡、和猪肠道菌群中的分布、进化和传播的理解。

抗生素抗性基因肠道微生物 metagenomics metatranscriptomics gut resistome