宏基因組學及其技術的研究進展

【摘要】  　　宏基因組學是研究生態群體基因功能和其相互作用的新科學領域，以特定生態環境中微小生物遺傳物質的總和作為研究對象，基本研究策略是通過克隆、異源表達，篩選出有用的新基因及其產物。宏基因組學為生命學科和藥學研究提供了一個強有力的新技術，并在包括醫學在內的許多領域取得了新成就。本述評對宏基因組學的概念、技術和應用作了簡要介紹。

【關鍵詞】  宏基因組學；宏基因組文庫構建；文庫篩選
　　ABSTRACT: Metagenomics is a new field of science applied to study gene function and interaction ecotype communities. Metagenomic technology is based on the study of the DNA of microbial communities in their natural environments directly. Its basic strategy includes extracting total community DNA, constructing genomic library, and analyzing library with similar strategy to functional genomics. It provides a powerful tool to help us to exploit for novel biotechnological and pharmaceutical applications. Metagenomics has developed rapidly and acquired many novel accomplishments including in medicine. The concept, methodology and application of metagenomics have been briefly reviewed.

　　KEY WORDS: metagenome; metagenomics; metagenomic library construction; library screening

　　隨著人類科學認識論和思維方式的深化，在分子生物學和分子遺傳學技術方法的支撐下，順應21世紀生命科學的發展，在基因組學的基礎上誕生了一門嶄新的交叉學科——宏基因組學(metagenomics)[1]。宏基因組學的問世引起世界科學界的極大關注，發展很快，它代表了生命學科今后的研究方向。本文就宏基因組學的產生、概念、研究的基本策略和方法進行綜述。

　　1  宏基因組學的產生、發展和概念

　　1.1  宏基因組學的產生背景 農業論文發表

　　人類基因組計劃(human genome project, HGP)的完成促使了基因組功能性研究計劃的開展，并推動從結構基因組學研究時代進入功能性基因組研究為主的后基因組時代，人體基因的功能研究成為生命科學領域的研究熱點。

    但是越來越多的研究表明，人體的生理代謝和生長發育不僅受自身基因控制，還與其他生物基因組相關；對疾病的易感性、藥物反應等許多現象，也無法全部用人體基因差異來解釋。已證明體內菌群的組成和活動與人的生長發育、生老病死息息相關，例如人類胃潰瘍發病機制和病因與寄生在胃里的微生物的致病作用有關。因此，必須考慮與人類長期共生的微生物群體對人類的影響。
   
　　此外，自然界現存的物種數量以萬億計，包括人類、大量的高等動物、植物和微生物。世界上的萬物是彼此依賴、相互作用、相互制約和相互促進，形成共生、共存和協調平衡發展的欣欣向榮局面。要想了解生命的起源、本質、進化和相互作用及影響，就必須對彼此密切相關的生物進行各個基因組學及其相互關系的研究。這種研究超越了傳統意義上單一物種的基因組學分析，研究對象復雜、范圍更廣而方法要更新，它要求在基因學、基因組學的基礎上有新的學科來承擔這一新的任務。因此，21世紀人類提出了生態基因組學(ecogenomics)的概念[3]。它要求對特定環境下多種生物的基因組進行研究，這將有助于揭示生命現象的本質，發現新的基因和確定人類疾病的病因。

　　1.2  宏基因組學的發展與概念

　　宏基因組學的發展經歷了環境基因組學、微生物基因組學、宏基因組學到人類宏基因組學的階段。

　　1.2.1  環境基因組學的提出與發展 金融論文發表

　　1991年Pace首次提出環境基因組學(environmental genomics)的概念，并在同年構建了第一個通過克隆環境樣品中DNA的噬菌體文庫，環境基因組學(亦稱微生物環境基因組學)的研究受到廣泛關注[2��3]。1998年美國國立環境衛生科學研究所啟動了環境基因組計劃(environmental genome project, EGP)，開展有關人體遺傳變異與環境脅迫相互關系的研究，引起各國科學家的極大關注，標志著生命科學界將在更深層次上對環境與基因相互作用對人類健康的影響進行系統全面的研究[3��4]。環境基因組學第一次提出特定生態條件下，全部生物基因組總體概念，這是基因組學的重要進展。

　　1.2.2  微生物基因組學與宏基因組學概念的提出

　　環境是一個相互作用的復雜體系，又是一個不斷變化的動態過程，該體系的生命與非生命的兩個方面是不斷互為因果，相輔相承的。為了方便研究，人類把精力集中到特定環境的微生物群體上來。

    Handelsman等[1]于1998年提出生命研究對象應是生物環境中全部微小生物的基因組(the genomes of the total microbiota found in nature)，首次提出針對特定環境樣品中細菌和真菌的基因組總和進行研究的這一宏基因組(metagenome)概念，指出應用宏基因組學研究微生物復雜群落基因組的方法將成為快速發展的領域。2007年3月，美國國家科學院以“環境基因組學新科學——揭示微生物世界的奧秘”為題發表咨詢報告，指出宏基因組學為探索微生物世界的奧秘提供新的方法，這是繼發明顯微鏡以來研究微生物方法的最重要進展，將是對微生物世界認識的革命性突破。報告呼吁建立全球宏基因組學研究計劃，建議大批量啟動中小型宏基因組學研究項目，對自然環境微生物群落(如海水或土壤)、寄生微生物群落(如人體腸胃或口腔)、人為控制環境微生物群落(如污水處理廠或水產養殖廠)等展開研究；啟動少量大型綜合性項目，對宏基因組學研究方法、技術路線、理論框架和更為復雜的動態微生物系統進行研究[8]。

　　1.3  宏基因組學的概念 英語論文發表

　　宏基因組(metagenome)和宏基因組學(metagenomics)的概念尚待統一，其中的“宏”所對應的英文是前綴“meta�病保�它源于希臘語，作為構詞成分意思是超越(overrach)、在上(above)、在外(beyond)、在后(behind)等，它具有更高層次組織結構和動態變化的含義，在metagenome中有更高級、更復雜的意思。國內一般翻譯為“宏”或“元”，形象表明其涵蓋范圍的廣泛性。本文采用較為普遍的宏基因組/宏基因組學譯法(注：國外有人還稱為Ecogenome /Ecogenomics，譯為