利用Nanopore測序從微生物群系獲得完整、封閉成環的細菌基因組

2021-01-10 美格基因

佳作推薦又來啦！本周佳作提出了一套測序流程（Lathe，結合三代測序和二代測序的測序數據對細菌基因組進行組裝），作者利用多樣本對該套測序流程進行驗證，並最終得出該測序流程相比其他方法，組裝結果更具有連續性且成本更低，在研究生物功能尤其是重複原件的作用等方面具有廣闊應用前景。

Complete, closed bacterial genomes from microbiomes using nanopore sequencing

利用Nanopore測序從微生物群落獲得完整、封閉成環的細菌基因組

作者：Eli L. Moss 等

期刊：Nature Biotechnology

時間：2020年2月

影響因子: 31.86

DOI：10.1038/s41587-020-0422-6

一、研究背景

微生物基因組可以通過二代測序數據進行組裝，但宏基因組組裝的連貫性受到重複元素的限制。正確分配重複序列的基因組位置對於理解基因組結構對基因組功能的影響至關重要。作者採用名為Lathe的工作流程，整合三代+二代測試數據並組裝，從複雜的微生物群落中組裝封閉的細菌基因組。

二、實驗結果

作者首先嘗試通過使用12種標準的細菌混合物來測試是否可以組裝封閉的細菌基因組。使用Nanopore測序共獲得了30.3 G數據，這些數據包含了全部12種細菌。通過每種細菌序列長度的分布，發現不同菌顯示出不同的序列長度分布（圖1），這可能是不同細菌對裂解、提取、凍幹或貯藏的響應略有變化的結果。12個細菌中共有7個組裝成完整基因組，另外三個基因組被組裝成四個或更少的contigs。組裝程度最差的細菌基因組包含單個contig中83%的基因組（圖1），這些都能說明Nanopore測序組裝結果比二代測序更具有連續性。

圖1 12種細菌混合液中的序列分類學組成，每種細菌的讀長分布和基因組組裝

接著，作者將方法應用於之前用於評估short-read和read-cloud測序和組裝方法的兩份人類糞便樣本（樣本P1和P2-A，以及在P2個體第一次採集樣本15個月後採集的糞便樣本P2-B），得到樣品P1、P2-A和P2-B的三代測序數據分別為12.7 G、6.1 G和7.6 G。結果顯示，利用此方法得到的reads的分類組成比機械裂解和二代測序提取的樣品的reads具有更高的物種多樣性（圖2a）。對比利用三代測序、short-read和read-cloud方法組裝的基因組，發現三代測序方法組裝結果具有更高的連續性且成本更低（圖2b）。

圖2 兩個健康的人類糞便微生物群落中的樣本組裝連續性、多樣性和微生物分類學組成

最後，為了評估提取和Nanopore測序方法的普遍性，並測試這種HMW DNA提取方法與傳統方法相比分類結果的一致性，在裂解階段加入後聚合酶，將兩種提取方法應用於另外10個健康成人糞便樣本（樣本A -J）。利用測序數據共組裝了20個成環的基因組，包括Prevotella copri和一個候選Cibiobacter sp.的基因組（圖3），這些結果表明，這種新的測序和裝配方法能夠生成封閉的、環形的基因組（表1）。

表1 從人類糞便樣本中組裝得到的環形細菌基因組

圖3 組裝得到的Prevotella copri和Cibiobacter sp.的細菌完成圖

三、結論與亮點

1. 提出一套測序流程（Lathe）結合長讀長序列組裝和短讀長序列糾錯可以從複雜的微生物群落中組裝完整的基因組。

2. 測序組裝12種細菌的混合物驗證了第一點中的方法，其中7個細菌基因組完全組裝成單個contigs，3個細菌基因組組裝成4個或更少的contigs。

3. 用該測序流程分析了13個人類糞便樣本的宏基因組數據。組裝了20個成環的基因組，包括Prevotella copri和一個候選Cibiobacter sp.的基因組。

4. 儘管與其它測序和組裝方法相比，核苷酸的準確性有所下降，但該方法提高了組裝的連續性，在研究生物功能尤其是重複原件的作用等方面具有廣闊應用前景。

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