微生物组学1—基础概念

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sheldor没耳朵

发布于 2025-04-09 02:29:48

2010

文章被收录于专栏：肠道菌群与代谢组学肠道菌群与代谢组学

微生物组学1—基础概念

今天开始跟着“生信技能树”进行微生物组学的学习，以下笔记以“生信技能树”教学内容为大纲，并综合各方面内容（华大基因、中科新生命微生物组产宣材料、chatgpt等）整理而来。第一篇笔记主要介绍下基础概念和常见问题

1. 16s、18s、ITS测序

16S rDNA 是细菌分类学研究中最常用的“分子钟”，其序列包含 9 个可变区（Variable region）和 10 个保守区（constant region）。可变区因细菌而异，且变异程度与细菌的系统发育密切相关。通过检测 16S rDNA 的序列变异和丰度，可以了解环境样品中群落多样性信息。基于 16S rDNA 的分析在微生物分类鉴定、微生态研究等方面起到重要作用
18S rDNA 或 ITS（Internal Transcribed Spacer）被广泛应用在真菌分类鉴定中。18S rDNA 在系统发育研究中较适用于种级以上阶元的分类；ITS 属于中度保守区域，利用它可研究种及种以下的分类阶元
16S/18S/ITS 扩增子测序即通过提取环境样品的 DNA，选择合适的通用引物扩增 16S/18S/ITS的某一或某几个区，使用高通量测序平台将目的区域正反向读通，通过检测目的区域的序列变异和丰度，对环境样本物种分类及，丰度，种群结构，系统进化，群落比较等方面信息进行分析的研究方法
16S相关文章中选择的测序区域各不相同（如V4，V3-V4，V1-V3，V3等），选择的依据是什么，选择哪个区域比较好？

不同物种不同区域多样性不同，选择不同区域测序结果会有不同，可能会造成物种多样性的低估或高估。在非全长16S测序的情况下，测序区域也并非越长越好，不同样本需要的测序区域可能也不一样，跟全长16S结果最相近的测序区域即是最优选择。根据我们大量的项目经验，目前测序项目较多的区域为V4, V3-V4, 具体项目测序区域也可参考相关文献进行选择。

16s、18s这个s代表了什么？

16S 和 18S 中的 “S” 是一个物理学上的单位，代表 Svedberg单位（斯维德伯格单位），缩写为 S。Svedberg（S）单位是一个表示沉降速率的单位，反映的是一个分子（比如核糖体RNA）在超速离心过程中沉降的速度。16S rRNA：是细菌、古菌核糖体小亚基中的一段rRNA，其沉降系数是 16 Svedberg单位；18S rRNA：是真核生物核糖体小亚基中的rRNA，对应的沉降系数是 18 Svedberg单位。

16S测序一般推荐多少样本量？

16S样本多样性及组间差异分析是基于统计结果进行的分析，一般样本数越多，统计结果越准确。最低样本数要求如下：样本间多样性分析（n≥4），组间多样性分析样本（组别≥2，每组样本数n≥3）

2. ASV vs OTU：微生物组分析的新旧范式

OTU，中文叫“操作分类单元”，是在微生物多样性研究中，用于表示一组相似的微生物序列的分类单元。在16S、18S或ITS测序中，会得到大量的DNA序列。由于这些序列可能存在PCR误差、测序误差，研究人员会按照一定的相似度阈值（通常是97%）将这些序列进行聚类，把相似的序列归为一类，这一类就叫做一个OTU。
- 通常，97% 相似度 代表“可能属于同一物种”
- OTU 实质上是多个高度相似序列的“代表”
- 代表序列可以用来做分类注释、绘制微生物丰度图等
- 易于理解和操作；支持较大样本量的处理；被广泛应用于早期微生物组研究中。
ASV，中文叫“扩增子序列变异体”，是近年来在微生物组分析中广泛采用的更高分辨率的分析方法。ASV 分析不是聚类，而是通过去噪算法（如 DADA2 或 Deblur）对测序误差进行建模与校正，从而精确还原每一条真实存在的序列变异体。
- 不用人为设定相似度阈值
- 每一个 ASV 都代表一个唯一的、去除误差后的真实DNA序列
- 能区分只差一个碱基的微生物变异
- 分辨率极高，可达“物种/株”水平；结果可重现，不依赖聚类算法的随机性；越来越多的数据库和工具支持基于ASV的注释；