本文選題：高通量測序 + 微生物組學　； 參考：《中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院》2016年博士論文

【摘要】：近年來高通量測序技術(High-throughput sequencing)蓬勃發(fā)展,不斷地取得新的突破,逐漸引領人類進入后基因組時代。高通量測序技術相較于傳統的芯片與低通量測序,可以更高效快速地得到海量基因組、轉錄組、表觀組等組學數據,并能在全組學層面測定探索未知序列。這一里程碑式的變革使得對生物進行細致全貌的分析成為可能,進而從全新角度來解決生物學問題。與此同時,微生物基因組學在醫(yī)學、工農業(yè)等有著重要的應用前景,目前也有很多全球國際項目如NIH人類微生物群系項目(Human Microbiome Project,HMP)、地球環(huán)境微生物計劃(Earth Microbiome Project,EMP)。將高通量測序技術與微生物組學進行結合,恰好可以在微生物領域發(fā)揮重要作用。例如在未知病原微生物檢測、突發(fā)傳染病防控方面,可通過測序來快速地鑒定病原體,并通過溯源進化分析推斷病原體與宿主可能的來源和研究傳播途徑,甚至進一步分析病原體毒力與耐藥信息;而在宏基因組學領域,可通過海量的測序數據對微生態(tài)多樣性、代謝功能富集等進行分析,從而研究特定表型與宏基因組的內在關聯。在高通量測序技術廣泛應用于微生物組學領域的同時,也給微生物組學的大數據分析帶來了新的挑戰(zhàn)。高通量測序數據類型多樣、產出數據量大、待分析的生物學問題高度個性化,勢必需要一種普適有效的生物信息學分析流程來解決這些問題。本研究綜合使用多種生物信息學分析方法,對海量測序數據的微生物辨識、進化與微生物耐藥性等一系列關鍵問題進行逐項論述和研究。本研究首先通過對相關理論和算法進行了深入比較討論,不僅提出通用高效的微生物辨識分析方法,也針對不同類型特性的測序數據給出更優(yōu)化的分析策略。而后基于微生物組測序數據的辨識結果,進一步討論了微生物的系統進化分析原理與方法,包括基于高通量測序數據的微生物親緣關系、分歧時間、基因進化速率、蛋白家族、菌株間重組等的分析。此外,也闡述了微生物組學的功能性相關分析方法,尤其是基于微生物測序數據的耐藥性研究。最后,總結了文中有關微生物的系列研究分析方法,歸納提出了基于高通量測序數據的微生物的系統通用分析流程模式。在海量測序數據中如何進行快速、精準地辨識出微生物相關信息,對病原微生物檢測、突發(fā)傳染性疾病防控、食品安全檢測等領域至關重要。針對這一問題展開研究,本研究首先即是討論基于測序數據的高效準確分析方法。常規(guī)的病原體辨識方法主要包含比對和拼接兩大類基本計算,而每一類又有更多的細致分類,需根據不同情況構造針對性的方法流程才能得到可靠的微生物辨識結果。文中以主流成熟的算法為主,通過歸納比較現有的多種平行分析算法與流程的效率與準確度,得出適合于微生物測序數據的通用分析辨識方法。不僅如此,文中亦對不同的測序數據類型和應用情況提出了優(yōu)化的分析策略指導建議。研究中以典型的dna與rna病毒病原體為例,基于大量全面的仿真數據、實測數據和公開數據集進行測試和驗證,深入系統地論證了在不同測序深度、測序讀長、乃至混合感染、基因組融合與重組等情況下采取何種分析模式能夠取得更好的病原體辨識效果,最終得到更優(yōu)化的分析解決方案。溯源進化分析作為常見的生物信息學分析之一,在微生物辨識分類、生物進化機制研究方面有著重要作用。本研究主要對基于高通量測序數據的微生物進化分析方法進行研究,首先介紹進化分析的相關背景和理論基礎,而后以幽門螺桿菌(helicobacterpylori)多重感染的實測病例數據為切入,討論針對同種菌群的微進化分析。高通量測序技術的迅猛發(fā)展產生了前所未有的分子水平數據,這給傳統的系統發(fā)生學帶來了革命性的變化。基于全組學數據,不僅能得到更全面豐富的信息,也能減少傳統基于特定基因組區(qū)域數據方法的偏性和誤差。文中對基于高通量測序數據的進化分析相關理論和方法進行了細致的介紹,包括高通量測序數據在進化分析前的預處理、進化模型的構建原理以及選擇方法、進化樹的多種計算和評估方法等等。本研究中也包含了對多重感染幽門螺桿菌數據分析的實例介紹。在這一例慢性淺表性胃炎病患的活檢樣本中,分離出多達18株幽門螺桿菌克隆。隨后在對菌群的微進化分析中,相比于僅考慮點突變的傳統方法,文中還將重組事件納入考慮。通過這種方法更準確地重構其多重感染病史,并計算得到不同感染階段對應的分歧時間。特別的是,在微進化分析中,所有幽門螺桿菌分為兩大不同特點的譜系分支,進化主要驅動因素為基因組重組且兩分支進化速率有數量級上的差異。進一步對重組模式以及限制修飾系統的分析發(fā)現,高進化速率分支菌群的限制修飾系統缺陷可能是造成其更易發(fā)生重組事件的原因。此外,多菌株長期在宿主體內定植的微進化過程中,不同分支菌株通過基于交流,基因組的差異在近幾年尺度上有逐漸減少趨同的傾向。論文這一部分對基于高通量測序數據的微生物進化分析進行了從理論到實例的詳細介紹,既有通用的一般分析方法,也有個性化分析策略舉例,可作為方法學上的指導和參考。微生物的耐藥性分析對疾病的用藥治療有著重要意義。在耐藥性分析方面,論文中以金黃色葡萄球菌的耐藥性研究為例進行介紹。我們在豬源金黃色葡萄球菌中發(fā)現了對國內尚未上市新藥達福普汀/喹努普丁(qda)的超前耐藥性,對三株具有此種耐藥性的金黃色葡萄球菌進行全基因組測序和分析研究,最終發(fā)現其對qda的耐藥性源自編碼atp結合盒式轉運蛋白的lsa(e)基因。我們通過進一步的比較基因組分析發(fā)現,所有三株qda耐藥的豬源金黃色葡萄球菌在iii型限制修飾系統方面的基因。此部分研究涉及的耐藥基因分析、葡萄球菌染色體mec基因盒(staphyloccoccalcassettechromosomemec,sccmec)分析及比較基因組分析等方法,均可作為同類耐藥性分析研究的參考。論文的最后對全文工作進行了簡要總結,歸納了文中基于高通量測序數據的微生物辨識、進化與耐藥性等的每一項分析系統通用分析流程模式,并對未來的工作計劃做進一步的展望。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：Q811.4;R37

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本文編號：1746179