在腸道中，微生物與宿主之間進(jìn)行密切的信息交流，在代謝、免疫、神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控中起重要作用。不同組成的微生物能影響機(jī)體體重、消化功能、抵御感染和自身免疫疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)，此外，還能影響機(jī)體對(duì)藥物的反應(yīng)。這些腸道微生物主要通過(guò)小分子的代謝物與宿主進(jìn)行密切的相互作用。微生物的代謝組學(xué)可發(fā)現(xiàn)腸道微生物隨宿主病理生理變化的關(guān)鍵代謝物，為微生物組-宿主互作機(jī)制研究提供線(xiàn)索。通過(guò)微生物組+代謝組聯(lián)合分析，可以對(duì)微生物與代謝物之間的相互關(guān)系進(jìn)行研究，如微生物菌群與其生存環(huán)境的關(guān)系，代謝物對(duì)微生物穩(wěn)態(tài)的影響，菌群改變?cè)趶?fù)雜疾病中的作用機(jī)理，微生物菌群的生理作用與其代謝產(chǎn)物及其代謝功能之間的相互作用關(guān)系及微生物菌群參與的多種代謝調(diào)控途徑等。在宿主生理、疾病病理、藥物藥理等方面具有良好的應(yīng)用前景。

代謝組學(xué)+轉(zhuǎn)錄組學(xué)

代謝組是生物體發(fā)育和生理狀態(tài)在代謝水平的體現(xiàn)，是基因組與表型組之前的橋梁，差異積累的代謝物可以輔助時(shí)序表達(dá)的眾多基因進(jìn)行“共表達(dá)”分析，提示基因功能，研究分子生化機(jī)制，將基因與表型聯(lián)系起來(lái)。

轉(zhuǎn)錄組+代謝組的多組學(xué)分析，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)從“因”和“果”兩個(gè)層面來(lái)探究生物學(xué)問(wèn)題，可以從大量轉(zhuǎn)錄本信息中快速鑒定代謝相關(guān)的功能基因，構(gòu)建核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，找出關(guān)鍵候選基因，闡述生物學(xué)現(xiàn)象。

代謝組學(xué)+蛋白質(zhì)組學(xué)

代謝組學(xué)目的是系統(tǒng)研究代謝中涉及的化學(xué)過(guò)程；蛋白質(zhì)作為酶可以調(diào)控生物體代謝過(guò)程，影響生物體內(nèi)代謝物濃度。通過(guò)整合分析。一方面可以結(jié)合兩個(gè)組學(xué)的分析結(jié)果，進(jìn)行相互驗(yàn)證，提高后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成功率；另一方面也有助于相互補(bǔ)充，并且使研究更加系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)對(duì)生物變化大趨勢(shì)與方向的綜合了解，提出分子生物學(xué)變化機(jī)制模型，并篩選出重點(diǎn)代謝通路相關(guān)的蛋白質(zhì)或者代謝產(chǎn)物，從而為后續(xù)進(jìn)行深入實(shí)驗(yàn)與分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

研究方案

材料：選擇20頭泌乳中期奶牛，連續(xù)8周添加20 g m/d的RPM，

方法：宏基因組測(cè)序+非靶代謝組檢測(cè)

研究背景

雞胸肉含有不飽和脂肪酸和較低的脂肪、鈉和膽固醇，是大家最喜歡肉類(lèi)之一。近年來(lái)，隨著人們對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和自身健康的重視，研究者們開(kāi)始致力于如何提高肉類(lèi)質(zhì)量的研究，而生長(zhǎng)時(shí)期是影響雞肉質(zhì)量的重要因素，但不同時(shí)期哪些特定代謝物積累是影響雞肉品質(zhì)的關(guān)鍵還不清楚。本研究使用代謝組和轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，確定了特定代謝物積累的關(guān)鍵基因，有助于了解肉類(lèi)質(zhì)量發(fā)展下的生物過(guò)程，并探索特定代謝物積累的有價(jià)值的生物標(biāo)志物。

技術(shù)路線(xiàn)

主要研究結(jié)論

隨著日齡的增長(zhǎng)，十五烷酸、硬脂酸、肌酸、肌肽、IMP、L-組氨酸和賴(lài)亮氨酸呈上升趨勢(shì)，而鵝氨酸、DHA、天冬氨酸、LPA 18:1和 LPI 18:1隨著日齡的增長(zhǎng)而下降。

雞胸肉代謝受日齡影響的主要途徑是果糖和甘露糖代謝、花生四烯酸代謝、甾體激素生物合成、核黃素代謝、不飽和脂肪酸生物合成和亞油酸代謝。

代謝組和轉(zhuǎn)錄組的整合分析揭示了影響化學(xué)成分和代謝途徑的潛在功能基因，例如DGAT2、CYP2D6、APOV1、PLTP、PNMT。這些結(jié)果將有助于了解肉質(zhì)發(fā)展的生物學(xué)過(guò)程，并探索特定代謝物積累中有價(jià)值的生物標(biāo)志物。

多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析文獻(xiàn)案例案例二

Interaction Between the Intestinal Microbial Community and Transcriptome?Profile in Common Carp (Cyprinus carpio L.).Frontiers in microbiology(IF 6.064),2021年4月

微生物和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析解析鯉魚(yú)腸道菌群與轉(zhuǎn)錄組水平的相互作用

研究方案

材料：黃河鯉新品系（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院淡水漁業(yè)研究中心）和傳統(tǒng)黃河鯉，水池中單獨(dú)喂養(yǎng)。

方法：轉(zhuǎn)錄組＋16s微生物多樣性

研究背景

近年來(lái)，腸道微生物對(duì)宿主生產(chǎn)性能的影響受到廣泛關(guān)注。宿主的生產(chǎn)性能可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)，而腸道微生物結(jié)構(gòu)又主要受遺傳和飼料的影響，腸道微生物也能影響宿主的基因表達(dá)和甲基化水平。研究發(fā)現(xiàn)約10%的宿主轉(zhuǎn)錄組受微生物調(diào)節(jié)，主要包括免疫、細(xì)胞增殖和代謝功能相關(guān)基因。腸道微生物與宿主基因表達(dá)之間的相互作用機(jī)制會(huì)影響飲食行為、消化過(guò)程、免疫功能和其他生理現(xiàn)象。一天中微生物的活動(dòng)會(huì)改變宿主的生物節(jié)律、表觀(guān)遺傳學(xué)和代謝產(chǎn)物。當(dāng)微生物群落內(nèi)穩(wěn)態(tài)的節(jié)律被破壞時(shí)，宿主的正常染色質(zhì)和基因表達(dá)水平將發(fā)生變化，腸-肝軸基因表達(dá)的新機(jī)制將被激活，這種相互作用主要通過(guò)腦和肝的遠(yuǎn)程控制模式實(shí)現(xiàn)。因此，作者運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組和微生物多樣性聯(lián)合分析來(lái)解析新黃河鯉品種的腸道微生物群通過(guò)調(diào)節(jié)腸道基因表達(dá)影響其生長(zhǎng)性能的方式，以此為黃河鯉新品種的選育提供參考。

技術(shù)路線(xiàn)

不同品種鯉魚(yú)腸道轉(zhuǎn)錄組與腸道微生物多樣性研究思路導(dǎo)圖

主要研究結(jié)果

腸道細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)性能的關(guān)系：測(cè)量了黃河鯉新品四個(gè)生長(zhǎng)性能參數(shù)（體重、長(zhǎng)度、寬度和深度）。對(duì)照組的所有參數(shù)均比對(duì)照組顯著提高：重量14.58%，深度7.14%，寬度5.04%，長(zhǎng)度5.07%。為了評(píng)估黃河鯉新品種的生長(zhǎng)性能是否與其腸道菌群有關(guān)，將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在相似的生長(zhǎng)環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)，并探討其腸道細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異。多樣性分析結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組的平均OTU豐富度（322.80±67.87）高于對(duì)照組（303.00±53.00）。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組共鑒定出94個(gè)共有的細(xì)菌類(lèi)群。PCA 分析和系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)將所有樣本分為兩部分，表明實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組是可明顯區(qū)分的。在屬水平上對(duì)細(xì)菌組成（相對(duì)豐度）進(jìn)行分析，結(jié)果表明氣單胞菌（Aeromonas）是對(duì)照組的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群，其次是厚壁菌（Firmicutes）和玫瑰單胞菌（Roseomonas），而實(shí)驗(yàn)組中，玫瑰單胞菌（Roseomonas）是優(yōu)勢(shì)類(lèi)群，其次是厚壁菌（Firmicutes），然后是氣單胞菌（Aeromonas）。結(jié)果表明這兩個(gè)群體的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)是不同的，這意味著宿主（黃河鯉魚(yú)新品種）基因組與微生物組相互作用，以選擇某些微生物類(lèi)群，暗示腸道菌群組成會(huì)影響鯉魚(yú)的生長(zhǎng)性能。

實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組之間的差異基因表達(dá)：使用與16S測(cè)序相同的樣本對(duì)黃河鯉新品種（實(shí)驗(yàn)組）和對(duì)照組中的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測(cè)序并鑒定差異基因（DEG）。在249個(gè)顯著DEGs中，194個(gè)基因表達(dá)下調(diào)，55個(gè)基因表達(dá)上調(diào)。通過(guò)GO注釋?zhuān)@些基因被分為以下功能類(lèi)別：生物調(diào)節(jié)、細(xì)胞過(guò)程、解毒作用、發(fā)育過(guò)程、免疫系統(tǒng)進(jìn)程等（都屬于生物過(guò)程）；細(xì)胞、細(xì)胞部分、胞外區(qū)域、胞外區(qū)域部分、大分子復(fù)合物等（細(xì)胞成分）；抗氧化活性、結(jié)合活性、催化活性、分子功能調(diào)節(jié)器上等（分子功能）。聚類(lèi)分析表明，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組具有不同的特征，DEG分為四個(gè)部分，大部分基因注釋到了免疫相關(guān)途徑。

與腸道細(xì)菌群落組成相關(guān)的差異表達(dá)基因：Pearson相關(guān)性用于推斷微生物屬級(jí)群落組成與DEGs之間的關(guān)系，共探索了2892對(duì)，包括245個(gè)基因和256個(gè)屬。篩選出來(lái)細(xì)菌群落具有屬級(jí)關(guān)系的前10個(gè)候選基因，其中許多參與免疫反應(yīng)，如H-2類(lèi)組織相容性抗原、類(lèi) E-Sβ鏈（H2-Eb1）、類(lèi)胸苷磷酸化酶（TYMP）、干擾素誘導(dǎo)蛋白44（IFI44）和主要組織相容性復(fù)合物I類(lèi)相關(guān)基因蛋白樣（MR1）等。DNA修復(fù)蛋白R(shí)AD51同源物4（Rad51d）、ETS易位變異體5、轉(zhuǎn)錄本變異體X2（Etv5）和著絲粒蛋白Spc24（Spc24）與細(xì)胞分化和生長(zhǎng)性能相關(guān)，這些基因可能在黃河鯉魚(yú)新品種生長(zhǎng)性能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。總而言之，腸道細(xì)菌可以影響腸道中的基因表達(dá)，其中優(yōu)勢(shì)種或細(xì)菌結(jié)構(gòu)可能反映宿主黃鯉魚(yú)新品種的遺傳特征。腸道的細(xì)菌-基因表達(dá)譜有助于宿主腸道的健康和性能，通過(guò)與基因頻率配對(duì)確定前10個(gè)屬為：Bordetella,Lutispora,Methylocystis,Ohtaekwangia,Roseomonas,Shewanella,GpVI,Desulfovibrio,Candidatus_Berkiella and Azorhizobium，其中，Methylocystis數(shù)量最多，在甲烷循環(huán)中起作用。該研究提出了腸道細(xì)菌群落與基因表達(dá)相互作用的證據(jù)，共探索了2892對(duì)（屬級(jí)基因和細(xì)菌），包括245個(gè)基因256個(gè)屬。作者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基因涉及免疫學(xué)、細(xì)菌群落和細(xì)胞分化，其中大多數(shù)位于免疫相關(guān)信號(hào)通路中。該研究表明黃河鯉新品種生長(zhǎng)性能的改善可能與其免疫反應(yīng)的改善及其在腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)中的相互作用有關(guān)。

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