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一篇搞懂微生物组学,常见图表解读与差异菌验证思路

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• 样本中有哪些微生物?

• 不同组的菌群结构是否不同?

• 哪些菌可能与疾病相关?

• 菌群发生了哪些功能变化?

• 这些变化是疾病的原因,还是结果?

• 如何通过实验验证菌群与表型之间的因果关系?

这就是微生物组学研究的核心。


图 1:https://blog.csdn.net/qazplm12_3/article/details/145766930

什么是微生物组学?

首先来区分一下:


  • 微生物群(microbiota):某一环境中存在的微生物集合。

  • 微生物组(microbiome):不仅包括微生物本身,也包括其基因、功能及与宿主和环境之间的关系。


微生物组学研究常见样本包括:


其中,粪便样本相对容易获得,也是肠道菌群研究中最常见的样本。

常用的微生物组学技术有哪些?


拿到测序数据后,如何分析?


图 2:https://www.oebiotech.com/index.php?c=show&id=1052

1、测序量是否足够?

首先查看每个样本获得了多少有效序列。如果大部分样本有足够的序列,而某个样本测序量极低,应排查:样本 DNA 量不足;DNA 降解;PCR 扩增失败;建库异常;样本中存在抑制物;测序质量不佳。

测序量明显偏低的样本,可能影响物种检出率和多样性分析。

2、稀释曲线是否趋于平稳?

稀释曲线用于判断当前测序深度是否覆盖了样本中的主要微生物。

如果曲线逐渐趋于平稳,说明继续增加测序量获得的新特征相对有限;如果曲线仍快速上升,则提示测序深度可能不足。

但稀释曲线平稳并不等于「所有微生物都被检测到」,它主要说明当前方法对主要群落的覆盖逐渐稳定。

3、样本是否存在批次效应?

可以通过 PCA、PCoA 或其他排序方法观察样本。

如果样本首先按照提取批次、建库批次或测序批次聚类,而不是按照疾病分组聚类,就需要警惕技术因素。

批次校正可以在一定程度上改善问题,但不能完全替代规范的实验设计。

微生物组结果图应该怎么看?

1、物种组成柱状图:样本中主要有哪些菌?

堆叠柱状图常用于展示不同样本或不同组中主要菌门、菌属或菌种的相对丰度。

每种颜色代表一种微生物;纵轴通常为相对丰度;图中展示的是组成比例,不是绝对数量。

例如,某种细菌的相对丰度升高,可能是它自身增加,也可能是其他细菌减少后造成的比例上升。

如果研究核心菌,最好结合定量 PCR、数字 PCR、培养或加入内标的绝对定量方法验证。


图 3:https://blog.csdn.net/woodcorpse/article/details/108526009

2、Alpha 多样性:一个样本内部有多丰富?

Alpha 多样性描述单个样本内部的微生物丰富度和均匀度。

常见指标包括:

Chao1:偏重物种丰富度;

Observed features:实际观察到的特征数量;

Shannon 指数:同时考虑丰富度和均匀度;

Simpson 指数:更关注优势菌的分布。

如果病例组 Shannon 指数降低,通常提示菌群多样性下降。

但多样性高并不总是代表健康。例如,某些低微生物量部位出现异常丰富的菌群,也可能提示污染或生态失衡。


图 4:https://zhuanlan.zhihu.com/p/2036094841986209251

3、Beta 多样性:不同样本的菌群结构是否不同?

Beta 多样性用于比较样本之间的群落差异,常用 PCoA 或 NMDS 图展示。

每个点代表一个样本:点越接近,菌群结构越相似;点越远,菌群结构差异越大;不同颜色通常代表不同实验组。


图 5:PCoA 图 https://blog.csdn.net/qq_47369980/article/details/122644823

仅凭图中两组「看起来分开」不能证明组间存在显著差异,还需要使用 PERMANOVA 等方法检验。同时应检查组内离散程度。因为 PERMANOVA 显著有时可能来自一组样本更加分散,而不一定是两组中心真正分离。


图 6:https://blog.csdn.net/woodcorpse/article/details/107032032

4、差异菌分析:哪些菌发生了改变?

常见展示方式包括:箱线图;火山图;热图;LEfSe 柱状图;LDA 图;差异菌系统进化树。

某种菌在一组中只出现于一两个样本,即使计算结果显著,也不一定适合作为稳定标志物。


图 7:https://zhuanlan.zhihu.com/p/433315852

5、功能预测:菌群可能影响什么?

16S 数据可以通过计算方法预测菌群的潜在功能,例如氨基酸代谢、脂质代谢和能量代谢。但这种结果本质上是根据「检测到哪些细菌」推测「这些细菌可能具有哪些基因」。

它不是对功能基因、RNA、蛋白或代谢物的直接检测。重要功能应进一步通过宏基因组、宏转录组、代谢组或实验进行验证。

怎样从「差异菌」走向机制研究?

仅仅发现某种细菌在病例组中升高,通常不足以形成完整机制。

临床队列或者分组样本发现候选菌变化:→ 独立方法验证菌量→ 分析候选菌与临床表型的关系→ 找到相关代谢物或功能通路→ 细胞或动物实验验证表型→ 菌株、代谢物或受体干预→ 救援实验验证因果关系。

1、独立验证候选菌

可以采用:菌种特异性 qPCR;数字 PCR;荧光原位杂交;靶向宏基因组检测;独立临床队列验证。

2、验证候选菌的功能

可根据研究问题选择:菌群培养上清处理细胞;菌与细胞共培养;候选菌定植动物;抗生素清除菌群;粪菌移植;微生物代谢物补充或阻断。

3、找到真正的效应分子

很多情况下,微生物并不是直接作用于宿主细胞,而是通过代谢物、毒力因子或免疫分子发挥作用。

例如可以继续分析:候选菌是否产生特定代谢物;代谢物是否进入循环或局部组织;宿主细胞是否表达相应受体;阻断受体后表型是否消失;补充代谢物能否恢复表型。

微生物组学在科研课题中的常见应用

1、疾病标志物筛选

比较患者与健康对照,筛选具有诊断价值的菌群特征。

常见分析包括:差异菌筛选;ROC 曲线;多菌联合模型;与临床指标联合建模;外部队列验证。

2、药物疗效预测

采集治疗前样本,比较应答者与不应答者的菌群特征,可以寻找潜在的疗效预测标志物。

如果要证明菌群影响疗效,还需要进一步验证:候选菌是否具有独立预测价值;结果是否受抗生素和饮食影响;候选菌定植是否改变动物的药物反应;相应代谢物或免疫通路是否发生改变。

3、药物对菌群的调节作用

可设置:正常对照组;疾病模型组;药物干预组。

分析:模型中升高、药物后降低的菌;模型中降低、药物后恢复的菌;被药物逆转的微生物功能;与疾病表型同步恢复的代谢物。

需要进一步证明菌群依赖性,可考虑抗生素清除、粪菌移植或候选菌回补等实验。

4、菌群—代谢—免疫研究

这是目前较常见的机制设计。

基本逻辑为:菌群失衡→ 微生物代谢物改变→ 宿主受体或代谢通路变化→ 免疫细胞功能改变→ 疾病进展或治疗反应变化。

在课题中借助微生物组学分析,把「菌群发生变化」进一步发展为一条能够被验证、被干预,并最终解释疾病表型的机制证据链。

编辑:小 z

题图:图虫

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