多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析文獻案例-動物生長發(fā)育篇

在腸道中，微生物與宿主之間進行密切的信息交流，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體體重、消化功能、抵御感染和自身免疫疾病的患病風(fēng)險，此外，還能影響機體對藥物的反應(yīng)。這些腸道微生物主要通過小分子的代謝物與宿主進行密切的相互作用。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-宿主互作機制研究提供線索。通過微生物組+代謝組聯(lián)合分析，可以對微生物與代謝物之間的相互關(guān)系進行研究，如微生物菌群與其生存環(huán)境的關(guān)系，代謝物對微生物穩(wěn)態(tài)的影響，菌群改變在復(fù)雜疾病中的作用機理，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序表達的眾多基因進行“共表達”分析，提示基因功能，研究分子生化機制，將基因與表型聯(lián)系起來。

轉(zhuǎn)錄組+代謝組的多組學(xué)分析，可以同時實現(xiàn)從“因”和“果”兩個層面來探究生物學(xué)問題，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)過程；蛋白質(zhì)作為酶可以調(diào)控生物體代謝過程，影響生物體內(nèi)代謝物濃度。通過整合分析。一方面可以結(jié)合兩個組學(xué)的分析結(jié)果，進行相互驗證，提高后續(xù)實驗驗證成功率；另一方面也有助于相互補充，并且使研究更加系統(tǒng)。

實現(xiàn)對生物變化大趨勢與方向的綜合了解，提出分子生物學(xué)變化機制模型，并篩選出重點代謝通路相關(guān)的蛋白質(zhì)或者代謝產(chǎn)物，從而為后續(xù)進行深入實驗與分析提供數(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：宏基因組測序+非靶代謝組檢測

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，是大家最喜歡肉類之一。近年來，隨著人們對食品營養(yǎng)價值和自身健康的重視，研究者們開始致力于如何提高肉類質(zhì)量的研究，而生長時期是影響雞肉質(zhì)量的重要因素，但不同時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，有助于了解肉類質(zhì)量發(fā)展下的生物過程，并探索特定代謝物積累的有價值的生物標(biāo)志物。

技術(shù)路線

主要研究結(jié)論

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

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)過程，并探索特定代謝物積累中有價值的生物標(biāo)志物。

多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析文獻案例案例二

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，水池中單獨喂養(yǎng)。

方法：轉(zhuǎn)錄組＋16s微生物多樣性

研究背景

近年來，腸道微生物對宿主生產(chǎn)性能的影響受到廣泛關(guān)注。宿主的生產(chǎn)性能可以通過調(diào)節(jié)腸道微生物結(jié)構(gòu)來調(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之間的相互作用機制會影響飲食行為、消化過程、免疫功能和其他生理現(xiàn)象。一天中微生物的活動會改變宿主的生物節(jié)律、表觀遺傳學(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，宿主的正常染色質(zhì)和基因表達水平將發(fā)生變化，腸-肝軸基因表達的新機制將被激活，這種相互作用主要通過腦和肝的遠程控制模式實現(xiàn)。因此，作者運用轉(zhuǎn)錄組和微生物多樣性聯(lián)合分析來解析新黃河鯉品種的腸道微生物群通過調(diào)節(jié)腸道基因表達影響其生長性能的方式，以此為黃河鯉新品種的選育提供參考。

技術(shù)路線

不同品種鯉魚腸道轉(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

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

實驗組和對照組之間的差異基因表達：使用與16S測序相同的樣本對黃河鯉新品種（實驗組）和對照組中的轉(zhuǎn)錄組進行測序并鑒定差異基因（DEG）。在249個顯著DEGs中，194個基因表達下調(diào)，55個基因表達上調(diào)。通過GO注釋，這些基因被分為以下功能類別：生物調(diào)節(jié)、細胞過程、解毒作用、發(fā)育過程、免疫系統(tǒng)進程等（都屬于生物過程）；細胞、細胞部分、胞外區(qū)域、胞外區(qū)域部分、大分子復(fù)合物等（細胞成分）；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）。聚類分析表明，實驗組和對照組具有不同的特征，DEG分為四個部分，大部分基因注釋到了免疫相關(guān)途徑。

與腸道細菌群落組成相關(guān)的差異表達基因：Pearson相關(guān)性用于推斷微生物屬級群落組成與DEGs之間的關(guān)系，共探索了2892對，包括245個基因和256個屬。篩選出來細菌群落具有屬級關(guān)系的前10個候選基因，其中許多參與免疫反應(yīng)，如H-2類組織相容性抗原、類 E-Sβ鏈（H2-Eb1）、類胸苷磷酸化酶（TYMP）、干擾素誘導(dǎo)蛋白44（IFI44）和主要組織相容性復(fù)合物I類相關(guān)基因蛋白樣（MR1）等。DNA修復(fù)蛋白RAD51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）與細胞分化和生長性能相關(guān)，這些基因可能在黃河鯉魚新品種生長性能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。總而言之，腸道細菌可以影響腸道中的基因表達，其中優(yōu)勢種或細菌結(jié)構(gòu)可能反映宿主黃鯉魚新品種的遺傳特征。腸道的細菌-基因表達譜有助于宿主腸道的健康和性能，通過與基因頻率配對確定前10個屬為：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菌群落與基因表達相互作用的證據(jù)，共探索了2892對（屬級基因和細菌），包括245個基因256個屬。作者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基因涉及免疫學(xué)、細菌群落和細胞分化，其中大多數(shù)位于免疫相關(guān)信號通路中。該研究表明黃河鯉新品種生長性能的改善可能與其免疫反應(yīng)的改善及其在腸道細菌結(jié)構(gòu)中的相互作用有關(guān)。

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