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五官

计算技术提供口腔微生物组新见解

来源:生物通    时间:2014年06月30日    点击数:    5星

最近,福赛斯研究所的科学家们使用一项新技术,来全面分析人类口腔微生物组,提供了关于口腔细菌多样性的更多知识。科学家们第一次能够在亚种水平提供高分辨率的细菌分类。这项工作将使研究人员能够更仔细地探究细菌群落在健康和疾病中所发挥的作用。

这项研究以“Oligotyping analysis of the human oral microbiome”为题发表在2014年6月23日的《PNAS》杂志。该研究是由资深研究员、福赛斯研究所微生物系的Gary Borisy 博士,与海洋生物学实验室的A. Murat Eren和Jessica L. Mark Welch博士及布朗大学的Susan M. Huse博士合作完成。

人的身体,包括口腔,拥有许多各种不同的微生物。事实上,人体内的细菌细胞要比人体细胞多十倍。大自然中的细菌生活在一个复杂、多物种的群落中,在这个群落中,细菌细胞彼此之间靠得很近,能够交换代谢产物和信号。Borisy称:“知道谁居住在那里,它们的邻居是谁,对于我们了解它们如何共同发挥作用,非常的重要。我们现在有机会真正分类细菌,了解这些群落中存在什么特殊物种。”

由美国国立卫生研究院发起的人类微生物组计划,调查了200多名健康人群18个身体部位的细菌种群。对细菌中编码核糖体RNA(称为16S rRNA基因或16S)的基因进行测序。16S rRNA序列在进化上是保守的,通常用来鉴定细菌等原核生物,是微生物身份的一个“条形码”。虽然人类微生物组计划的覆盖面是开创性的,但一个重要的问题是,如何解释所获得的大量条形码,将真正的条码与误差区分开来。一般的做法是,将相似的条码收集在一起,将它们放入垃圾箱。但是这会有风险,可能将不应该集中在一起的物种混为一谈,如病原体和非致病菌。Borisy称:“邮局知道我的名字和地址,但是想象一下,在接收到没有地址的信件时,他该送给Borisi、Barisy、Borisey还是Borisky?这些是拼写错误还是真正的差异?这是研究人员面临的一个大问题。”

一种新的高分辨率方法,被称为oligotyping(寡核苷酸配型)可克服这个问题,其通过利用香农熵(Shannon entropy)识别信息最丰富的核苷酸位置(然后定义oligotypes),评估条形码中的个体位置。该研究小组已将这种方法用于综合分析口腔微生物组。

利用来自人类微生物组计划的口腔9个部位的16S rRNA基因序列数据,研究小组鉴定了300多个oligotypes。他们通过与人类口腔微生物组数据库进行比较,将这些oligotypes与物种水平的分类命名联系起来。科学家们发现了紧密相关的oligotypes,有时只不过一个单核苷酸有所差异,表明口腔部位和个体之间的单核苷酸存在显著不同的分布。许多oligotypes是部位特有的。一些倾向位于斑块中,其他一些在牙龈或脸颊部位,一些具有咽喉、扁桃体、舌、腭和唾液的特性。密切相关的oligotypes的不同生境分布,显示出先前未识别的生态学和功能性的生物多样性水平。

研究人员得出结论,oligotyping的香农熵方法,能够分析整个微生物组,区分密切相关但却不同的分类群,结合生境分析,可为健康和疾病中的微生物群落提供深刻的见解。

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