宏基因组测序，是对特定环境样品中的微生物群落基因组进行高通量测序，以分析微生物群体基因组成多样性与丰度，探求微生物与环境、微生物与宿主之间的关系，发掘和研究新的、具有特定功能的基因。宏基因组测序与传统方法相比，无需进行微生物分离培养，缩短了实验周期，并且在鉴定肠道、唾液、粪便、生殖道等医学样品中低丰度的微生物群落中更有优势，可以进行微生物群体的物种分类、群落结构、系统进化、基因功能分析以及物种间的代谢网络等分析。
1、实验方案
测序策略：illumina nextseq 500或hiseq 3000 pe150
数据量：推荐6g clean data
2、技术优势
（1）高通量：单次测序产生至少5g数据量，有利于发现特异物种信息，深度挖掘基因资源。
（2）快速高效：无需分离培养微生物，对微生物群落多样性和功能基因等宏观特征进行研究，能更有效、准确的反应出微生物的真实状态。
（3）信息全面：发现高丰度的物种，还能发现低丰度物种信息，构建不同物种之间协同的代谢网络。
3、数据分析
3.1 标准信息分析
（1）按标准流程进行数据整理及数据质量评估；
（2）基因组组装；
（3）物种组成分析和丰度统计；
（4）样品间物种丰度差异分析；
（5）基因功能注释；
3.2 高级信息分析
（1）多样品显著相关因子分析；
（2）与疾病相关的基因的深度分析；
（3）构建菌群共生关系网络；
（4）构建系统进化树；
（5）其他根据客户的具体研究进行的个性化分析。
4、技术流程
5、案例分析
案例（1）宏基因组测序展示中国米酒中微生物组成和品质的关系
中国米酒（crw）是中国一种常见的酒精饮料。为调查研究微生物组成对于crw的质量的影响，浙江大学研究人员使用高通量测序对110个米酒样本进行16s rdna测序和真菌的its2进行测序。生物信息分析得出，米酒变质是由乳酸菌属的比例过高导致，这也证实了酵母引子和最终米酒的质量与微生物的分类组成相关。随后，基于早期阶段乳酸菌的含量，研究人员建立起一个模型来预测最后米酒的质量。此外，从110个米酒样本中挑选出20例有代表性的样本，进一步进行宏基因组测序分析。结果显示，米酒变质是由乳酸菌在发酵早期的快速生长导致的。基因功能分析显示了一些信号通路的重要性比如生物素的合成，乳酸发酵和短链脂肪酸的产生。最终结论为：微生物的新陈代谢影响米酒的质量。因此，有益微生物的培养和干扰菌的抑制对于机械化酿酒同样重要。
图1 质量好的米酒和质量差的米酒的细菌和真菌的种群水平分布
图2 宏基因组测序后的种群水平上的细菌与真菌组成分布图
案例（2）运用代谢组和宏基因组联合分析与冠心病相关的血浆和尿液微生物
冠心病（chd）是当今社会最高的健康威胁因素，然而目前还没有真正可靠的早期诊断和预防冠心病的方法。所以研究冠心病的机理和异常生物标记物的发展是迫切需要的。在本次研究中，代谢组学和宏基因组技术都被应用于发现新的血浆中和尿液中的生物标记物，同时跟踪其起源；本研究对象为59例chd患者和43例健康对照者。本研究确定了glcnac-6-p，一种具有很好的诊断性同时可以用作潜在的chd的生物标记物，还有甘露醇和15种血浆胆碱。这些确定的代谢物显示出与临床生物化学指标的显著相关性。并且，glcnac-6-p和甘露醇是肠道微生物潜在的代谢产物。这些结果显示在chd患者中会发生代谢的显著异常和肠道微生物失调。
图1chd和对照样本的主成分分析
图2 尿液中代谢物的斯皮尔曼相关分析
案例（3）慢性牙周炎病人牙龈组织中的一种新型ttmv病毒
本研究通过病毒宏基因组测序的方式在牙周炎患者的牙龈组织中检测到一个新的微小病毒，并命名为ttmv-222。ttmv-222的2830-核酸基因组与ttmv1-cbd279的全部的62.6%的核酸组成十分相似。这个新的病毒的基因组的基因组序列分析显示出一个传统的基因序列组成方式但是与已知的序列比对不上。在牙周炎患者群体（n=150）中ttmv-222的普遍存在要明显高于健康组人群（n=150）（p=0.032）中，提示着这种新病毒可能与慢性牙周炎患者的炎症反应相关。
图1 ttmv-222病毒的基因组结构图
图2 邻位相连法构建的orf1核酸系统发育树
参考文献
[1] hong et al. metagenomic sequencing reveals the relationship between microbiota composition and quality of chinese rice wine. scientific reports, 2016.
[2] feng et al. integrated metabolomics and metagenomics analysis of plasma and urine identified microbial metabolites associated with coronary heart disease. scientific reports, 2016.
[3] zhang et al. a novel species of torque teno mini virus (ttmv) in gingival tissue from chronic periodontitis patients. scientific reports, 2016.
