宏基因测序

服务简介

宏基因组学（Metagenomics）是以环境样本或临床样本中的全部微生物基因组为研究对象，无需分离培养，直接提取总DNA进行高通量测序，从而全面解析微生物群落的物种组成、丰度分布、基因功能及代谢通路。该技术突破了传统微生物培养的限制，能够发现不可培养的微生物，广泛应用于肠道菌群、土壤微生物、海洋微生物、临床病原检测等领域。

我们提供基于Illumina NovaSeq平台的宏基因组学测序服务，涵盖样本DNA提取、文库构建、高通量测序及深度生物信息学分析，助力微生物群落结构、功能基因、代谢潜力及宿主-微生物互作研究。

技术原理

宏基因组测序的核心流程包括：

1、总DNA提取：从样本中提取所有微生物的基因组DNA，要求完整性好、纯度高。

2、文库构建与测序：将DNA片段化、加接头、PCR扩增构建文库，使用Illumina平台进行双端测序（PE150），推荐数据量6-10 Gb/样本。

3、生物信息学分析：

①物种分类：将测序reads与微生物参考基因组数据库（如NCBI NR、GTDB）比对，获得门、纲、目、科、属、种水平的物种组成及丰度。

②基因功能分析：对reads进行组装，预测基因，注释功能数据库（KEGG、COG、CAZy、CARD等），分析代谢通路、耐药基因、毒力因子等。

③差异分析：比较不同组别（如疾病vs健康）的物种或功能差异。

④关联分析：将微生物数据与环境因子、宿主表型进行关联。

与16S rRNA测序相比，宏基因组测序不仅能鉴定物种，还能获得基因功能信息，分辨率达到菌株水平。

技术优势

✅ 全面覆盖：同时检测细菌、古菌、真菌、病毒等所有微生物，无培养偏倚

✅ 物种分辨率高：可达到菌株甚至亚种水平（16S通常仅到属水平）

✅ 功能信息丰富：直接获取基因功能、代谢通路、耐药基因、毒力因子等

✅ 定量准确：基于DNA水平，可计算物种和基因的绝对/相对丰度

✅ 发现新物种：通过组装可发现未知微生物及新基因

✅ 灵活测序深度：可根据研究目标选择浅层（5-10Gb）或深层（>20Gb）测序

实验流程

1、样本DNA提取

1）根据样本类型选择专用提取试剂盒（粪便、土壤、水体、口腔、皮肤等）。

质控要求：DNA总量≥1μg，纯度OD260/280=1.8-2.0，无严重降解。

2）对于低生物量样本（如血液、脑脊液），需优化提取方法并设置阴性对照。

2、文库构建与测序

1）DNA片段化（超声或酶切）→末端修复→加A尾→连接接头→PCR扩增。

2）文库质控：Agilent 2100检测片段分布（主带300-500 bp），Qubit定量。

3）测序平台：Illumina NovaSeq 6000 / HiSeq X Ten

4）测序模式：PE150（双端150bp）

推荐数据量：常规6-10 Gb/样本；功能深入分析建议15-20 Gb/样本；低生物量样本酌情增加。

3、生物信息学分析

1）标准分析：原始数据质控、物种分类分析、丰度计算、多样性分析、差异分析、功能注释、可视化

2）高级分析（可选）

①宏基因组组装基因组（MAGs）分析

②菌株水平分析（StrainPhlAn、MIDAS）

③宏基因组与代谢组/宿主转录组关联分析

④微生物代谢网络建模  

应用领域

1、肠道微生物组：研究肠道菌群与肥胖、糖尿病、炎症性肠病、结直肠癌、神经退行性疾病等的关系。

2、环境微生物组：土壤、水体、空气、沉积物等环境样本的微生物群落结构、功能及生态功能评估。

3、临床病原检测：从血液、脑脊液、痰液等样本中无偏检测病原微生物，识别混合感染及新发病原体。

4、口腔/皮肤微生物组：探究特定疾病状态下的微生态变化。

5、耐药基因传播：检测不同环境中抗生素耐药基因的分布及传播机制。

样本要求

重要提示：

避免反复冻融，样本采集后尽快-80℃保存。

低生物量样本（如血液、脑脊液）建议设置阴性提取对照。

建议每组至少6-10个生物学重复，以抵消个体差异。

交付内容

原始测序数据、质控报告、物种分类结果、功能注释结果KEGG通路图、关联分析结果、完整实验报告

实验结果示例

参考文献

1、Integrating cultivation and metagenomics for a multi-kingdom view of skin microbiome diversity and functions

2、Metagenomic editing of commensal bacteria in vivo using CRISPR-associated transposases

常见问题

Q1：宏基因组测序与16S rRNA测序如何选择？

16S：成本低，适合大规模样本的菌群组成分析（属水平为主），功能预测不准确。

宏基因组：可鉴定到种/菌株水平，直接获得基因功能，可发现新物种。适合功能机制研究、耐药基因、毒力因子等。

Q2：需要多少测序数据量？
常规微生物群落（如粪便）推荐6-10 Gb/样本；低多样性或低生物量样本（如土壤、水体）建议10-20 Gb；如需深度功能分析或组装高质量MAGs，建议20-30 Gb。

Q3：如何去除宿主污染？
对于人/动物组织或血液样本，需在分析前比对到宿主基因组（如hg38、mm10）并去除宿主reads。我们提供标准化的去宿主流程。

Q4：能否检测病毒和真菌？
可以。宏基因组测序可同时检测细菌、古菌、真菌、病毒。但病毒含量通常较低，建议去除宿主后使用病毒数据库（如NCBI Viral RefSeq）进行注释。

Q5：样本保存有什么要求？
建议采集后立即-80℃保存，避免反复冻融。短期保存（<1周）可-20℃。使用专用保存管（如粪便保存管）可常温运输。

Q6：能否进行绝对定量？
常规宏基因组获得的是相对丰度。如需绝对定量，可加做qPCR或内参（如spike-in）。我们可根据需求定制。