人类肠道菌群深度变异的重新测序和挖掘

The field of gut microbiome research has benefited greatly from the recent developments of next-generation sequencing techniques, and it has become clear that gut microbiome plays a critical role in human physiology as well as diseases. A collection of methods have been developed for second generation sequencing platforms (Illumina), including 16S rRNA and functional metagenomic-based analysis. However, limited by the read length of Illumina platforms, as well as analytical methods, detailed genetic mutations including SNP, SV and CNVs have not been thoroughly investigated. Here, we propose the application of third-generation sequencing (Sequel) and complement Illumina platforms, and develop new methods to effectively identify such mutations. After building a reliable reference, we will further carry out data-mining in public data and examine the prevalence and underlying forces of those mutations; while in the disease context we'll analyse their roles in host health and disease development. Our work aims at providing in-depth information of microbiome composition and functionality, plus the biological significance of above-mentioned genetic mutations.

测序技术的发展使的肠道菌群的组成和功能分析在近年来取得了长足的进步，揭示了菌群在很多人体生理活动及疾病中的重要作用。一系列的分析方法也主要针对二代测序平台发展起来，包括16S rRNA基础上的组成分析和基于鸟枪法的功能宏基因组分析等。但现在已有的测序方法和分析技术仍然有一定的进步空间，尤其是在对单核苷酸多态性，结构和拷贝数变异的分析上；一部分原因是二代测序本身读长的限制，另一部分则是分析软件的精度。我们计划利用最先进的三代测序技术弥补二代测序现有的问题，并进行方法学上的改进，使我们能够准确的挖掘在菌群内的这些深层次变异。在建立一系列高精度的参考集之后，我们将对现有的公开数据进行进一步的挖掘，分析这些深度变异的出现频率和影响它们丰度的诸多因素；以及这些深度变异在疾病中可能的作用等。我们的工作将在更精细的水平上进行菌群的组成和功能分析，以及这些变异的生物学作用及意义。

本项目的研究目的是结合当今最新的测序技术，开发面向与人体健康关系紧密的肠道微生物组的分析流程和深度挖掘方法。一方面，利用建立利用牛津纳米孔（ONT）测序技术进行人类肠道宏基因组深度分析的整体流程，包括细菌基因组中复杂的结构变异（Structural variations）；同时在此基础上进一步推进多种应用，包括建立三代测序技术基础上的病原检测新技术；深度分析结构变异对肠道菌群代谢产物的影响；深入分析肠道菌群甲基化的变化，并且实验验证了其影响因素。已经完成了所有本项目研究的目标并进行了部分拓展。本项目已经在100人的横断面序列和10人10个时间点的时间队列中，混合二代测序和三代测序数据建立了高质量的宏基因组参考数据；与代谢组数据结合发现了结构变异和甲基化变化与代谢产物的关联。同时针对新发的新冠病毒疫情，使用三代测序技术建立了新型的检测技术mTGS并且应用于新冠病毒检测；另外在新冠病人的队列中进行了病毒组的分析检测。最后，在健康人群中发现大量结构变异编码的小蛋白，并且针对其特性开发新的方法进行系统挖掘和认知，针对其中较为有治疗前景的抗菌肽类（AMP）进行大量临床前的研究与应用探索。