第十二章：泛基因组与宏基因组

第十二章：泛基因组与宏基因组

泛基因组Pangenome·宏基因组Metagenome（肠道、口腔、皮肤）

泛基因组

• 泛基因组为研究原核生物的基因功能、环境适应症及致病菌的耐药性机制等提供了新视角
• 泛基因组的概念：某一物种全部基因的集合（某物种所有基因放一起之后的基因集合就被称为泛基因组），Pan-genome（泛基因组） ：指某一物种所有个体中所有基因的总和，即核心基因 + 可变基因（dispensable genes） 。泛基因组体现了该物种的全部遗传多样性。
• 泛基因组的典型研究：大肠杆菌研究，大肠杆菌的基因4Mb基因，有半数基因是来自环境
  • Core-genome（核心基因组） ：指所有样本中共有的基因集合。这些基因在每一个个体或菌株中都存在，通常与基本生命活动、物种基本特征相关。
  • dispensable genes：指一些生物共享的基因组（可变基因）
  • strain-specific genees：指某个基因只被单个个体所有（可变基因）
• 水平基因转移（HGT）：遗传物质传递给非其子代
  • 主要研究方向：抗生素耐药性和性研究
  • 吸收环境中的基因到生物自身的基因组中（典型案例：无油樟，无油樟吸收了苔藓、绿藻被子植物的基因）
  • 有没有不发生 HGT 的完美基因呢？
    • 有的，海洋浮游菌拥有“完美”基因组，其基因组大小 1.3Mb，含有 1354 个蛋白质
• open Pangenome 和 close Pangenome
• 原核生物的泛基因组分析工具：PGAP、PanGP、PGAP-X、PGAweb
• 泛基因组分析与蛋白质互作网络（PPI）
• 泛基因组研究的发展趋势：
  • 病毒泛基因组研究
  • 植物泛基因组研究
    • 泛基因组学在植物遗传与分子育种的应用
    • 大豆泛基因组研究（close Pangenome）
    • 水稻泛基因组研究
    • 油菜泛基因组研究
  • 人类基因组的泛基因组研究
    • 中国人群的泛基因组研究

2. 宏基因组（Metagenome）

• 宏基因组的概念：

  • 宏基因组，又称环境基因组或元基因组，其指的是生物生存环境中全部微小生物遗传物质的总和，包含了可培养的和未可培养的微生物的基因。

• 宏基因组学：是以 环境样品的宏基因组作为研究对象，一功能基因筛选或测序分析为研究手段，去研究微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、相互协作关系以及与环境之间的关系的学科。

• 宏基因组研究应用

  • 人体健康：消化，疾病，机体免疫
  • 农业
  • 生物多样性
  • 生态环境等等

• 人类微生物组

  • 人类微生物组是指与人类共生的全部微生物的总和
  • 人类微生物种类 3 万余种，100Mb-1000Mb
  • 分为：
    • 肠道菌群：OTU表示生物多样性程度

• 人体肠道宏基因组研究计划（MetaHIT）

• 正常微生物组生理作用：

  • 生物拮抗：抵抗外来致病菌
  • 营养作用
  • 免疫作用
  • 抗衰老作用
  • 抗肿瘤作用

• 肠道微生物种群是随年纪而变化的

• 粪菌移植：使用处理后的健康人的粪便液，灌到患者肠道内，重建患者的肠道菌群，以治疗疾病。

• 肠道菌群失衡：增加后代过早死亡的风险，

  • 父代肠道菌群失调会增加子代出生体重不足、生长受限和早期死亡的风险

• 宏基因组数据库：

  • MGnify