Метагеномика
-
История метагеномики
- Термин «метагеномика» введен в 1998 году.
- Ранние исследования сосредоточены на последовательностях 16S рРНК.
- В 1980-х годах Норман Р. Пейс предложил клонирование ДНК из окружающей среды.
-
Методы и достижения
- В 2002 году Майя Брейтбарт и Форест Ровер показали, что в морской воде содержится более 5000 вирусов.
- В 2004 году Джин Тайсон и его коллеги секвенировали ДНК из дренажной системы кислой шахты.
- В 2005 году Стефан С. Шустер и его коллеги опубликовали первые последовательности образцов окружающей среды с помощью высокопроизводительного секвенирования.
-
Современные методы
- Метагеномика дробовика использует случайный срез ДНК и секвенирование множества коротких последовательностей.
- Высокопроизводительное секвенирование устраняет необходимость клонирования ДНК перед секвенированием.
- Современные технологии секвенирования, такие как Ion Torrent, Illumina MiSeq и SOLiD, производят более короткие фрагменты, но компенсируют это большим количеством считываний.
-
Развитие технологий секвенирования
- В 2009 году метагеномы генерировали 200-500 мегабаз, Illumina — 20-50 гигабаз.
- Современные технологии секвенирования, такие как PacBio RSII и Nanopore MinION, упрощают процесс сборки.
-
Проблемы с метагеномными данными
- Данные метагеномики огромны и зашумлены, содержат до 10 000 видов.
- Сбор и систематизация данных требуют значительных вычислительных ресурсов.
-
Предварительная фильтрация данных
- Удаление избыточных последовательностей и эукариотических последовательностей.
- Методы удаления загрязняющих последовательностей включают Eu-Detect и DeConseq.
-
Сборка метагеномных данных
- Сборка данных сложна из-за повторяющихся последовательностей и химерных контигов.
- Программы сборки, такие как Phrap и Velvet assembler, используют парные конечные теги для повышения точности.
-
Генное предсказание
- Аннотирование генов на основе гомологии или ab initio.
- Программы, такие как MEGAN4 и GeneMark, используют различные подходы.
-
Видовое разнообразие
- Биннинг последовательностей для определения видового разнообразия.
- Методы, такие как BLAST и PhymmBL, используют различные подходы для биннинга.
-
Интеграция данных
- Стандартизированные форматы данных для метаданных и последовательности.
- Инструменты, такие как MG-RAST и IMG/M, упрощают интеграцию данных.
-
Современные инструменты
- MEGAN и CLARK — быстрые инструменты для таксономической аннотации.
- FALCON — инструмент для консервативных оценок сходства древней ДНК.
-
Сравнительная метагеномика
- Парные и множественные сравнения метагеномов для понимания функционирования микробных сообществ.
-
Сравнение структуры популяций и филогенетического разнообразия
- Используются 16S рРНК и другие филогенетические маркеры
- Реконструкция генома из метагеномных данных
- Функциональные сравнения через базы данных COG и KEGG
-
Функциональные сравнения между метагеномами
- Сравнение последовательностей с базами данных
- Составление таблиц численности по категориям
- Оценка различий на статистическую значимость
-
Методологии использования олигонуклеотидов
- Подход к относительному распространению динуклеотидов
- Подход Гоша и др.
- Использование тетрануклеотидов для идентификации генов
-
Методы обнаружения похожих чтений
- TriageTools
- Compareads
- Мера сходства основана на количестве идентичных слов
-
Идентификация микробных групп
- Проблемы с технологиями секвенирования
- Межмикробные взаимодействия между группами микроорганизмов
-
Анализ данных
- Метаболизм сообщества: синтрофия и метаболическая сеть
- Метатранскриптомика: профили регуляции и экспрессии
- Вирусы: метагеномное секвенирование для изучения вирусных сообществ
-
Приложения метагеномики
- Сельское хозяйство: изучение микробных сообществ в почвах
- Биотопливо: выявление ферментов для переработки биомассы
- Биотехнология: разработка новых лекарств и химических веществ
- Экология: изучение микробных сообществ в окружающей среде
-
Метагеномика и экология
- Метагеномика позволяет изучать функциональную экологию экологических сообществ.
- Бактерии в фекалиях морских львов расщепляют питательные вещества, делая их доступными для экосистем.
- Секвенирование ДНК используется для идентификации видов в водоемах, мусоре и фекалиях животных.
-
Восстановление окружающей среды
- Метагеномика улучшает стратегии мониторинга загрязняющих веществ и очистки окружающей среды.
- Понимание микробных сообществ помогает оценить потенциал восстановления загрязненных участков.
-
Характеристика кишечных микробов
- Микробные сообщества играют ключевую роль в здоровье человека.
- Метагеномное секвенирование используется для характеристики микробных сообществ в кишечнике.
- Исследования показывают, что у пациентов с синдромом раздраженного кишечника меньше генов и бактериальное разнообразие.
-
Проект «Микробиом человека»
- Метагеномный анализ выявил различия в распространенности функциональных модулей и метаболических путей в микробиоме.
- Исследование выявило полезность метагеномики в диагностике и доказательной медицине.
-
Метагеномика у животных
- Метагеномика используется для определения профиля микробиома кишечника и выявления бактерий, устойчивых к антибиотикам.
- Это важно для мониторинга распространения болезней от диких животных к сельскохозяйственным и людям.
-
Диагностика инфекционных заболеваний
- Клиническое метагеномное секвенирование может быть чувствительным и быстрым методом диагностики инфекции.
- Сравнение генетического материала с базами данных помогает определить основную этиологию инфекции.
-
Эпиднадзор за арбовирусами
- Метагеномика помогает охарактеризовать разнообразие и экологию патогенов, переносимых кровососущими насекомыми.
- Метагеномика регулярно используется для эпиднадзора за арбовирусами.