培养组学对已分离人类细菌和古菌物种库的贡献

摘要

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培养法是细菌分离和生长所用的最古老的技术，但随着测序技术的发展，特别是以遗传物质为研究目标的宏基因组学的出现，科学界认为培养法不再被需要。但是，人们很快发现，这些新方法也有多种缺点，比如测序深度偏差和难以检测等。最重要的是，这些方法不能提供微生物纯培养物，而纯培养物对进一步研究菌株特性、体外模型和宿主感染又是极为重要的。培养法和非培养法的互补方法已经建立，虽然只有15%的已检测物种可以同时用两种技术检测到。培养组学对于描述人类微生物菌群具有重要作用，尤其是可以从新分离细菌物种的研究中贡献一些OTUs，从而弥补宏基因组学的不足。

通过培养法分离的得到的，人体内至少出现过一次的所有原核生物的组成文库2015年第一次被建立。本综述的目标就是更新从人体不同部位分离到的原核生物组成文库，补充2015年Hugon等的发表的研究内容。此外，还强调了培养组学在描述人类微生物菌群方面的贡献。

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培养组学除了采用多种条件培养，还包括通过基质辅助激光解析串联飞行时间质谱 (MALDI-TOF MS)和16S rRNA基因测序等技术进行鉴定。宏基因组学研究通过产生大量的测序数据来研究人类肠道微生物菌群，但由于测序实验和分析的不确定性，研究结果依然带有大量的偏差。一些研究表明，培养法可以分离到一些高通量测序方法检测不到的细菌物种。而且，两种方法研究同一问题时结果也会有所不同，例如，Lagier等采用培养法和16S rRNA基因扩增测序法研究了3种粪便样品中的细菌，结果表明两种方法得到的细菌只有15%的物种是共有的。因此，两种方法可以互补，同时使用可以更有效得描述人类微生物菌群，揭示其未知领域。

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方法

我们实验室2015年统计了1980年到2015年2月6日所有分离自人体内的细菌，建立了其物种库。我们采用相同方法建立一个自定义软件，通过NCBI的E值自动检索MeSH 数据库，PubMed/Medline和NCBI Taxonomy。通过该软件可以实现PubMed/Medline的高级搜索，从而找到所研究菌种对应的文章。本综述中我们采用这一方法更新了人类细菌文库，加入了人体内通过培养得到的，且在LPSN或NCBI有记录的所有细菌。所用文章搜集自2014年到2018年4月17日，并手动验证标题、摘要、或全文以验证查询结果。我们还研究了本文库中每个物种的致病性、需氧量，并通过NCBI构建了其分类谱系。

人类相关细菌文库：我们何去何从？

我们增加了604个不同的物种到之前的文库中，使其物种数量增加了28%，共得到2776种人类相关细菌。新加入的物种大部分属于厚壁菌门、放线菌门、和变形菌门，分别有289、137、和99种。在属水平上，分枝杆菌是这2776个物种的602个属中最常见的，包含151个种。

肠道微生物组：丰富度和多样化

人体内最大的微生物聚集地位于肠道，仅人类结肠的细菌丰度就有10¹⁰cell/g。本研究的604个物种中，372个分离自肠道，其中92.5%是通过培养法获得的，包括232个新种。

厌氧菌的显著贡献

由于厌氧菌不能耐氧或者不能在有氧环境中存活，厌氧细菌在人体内的分布随地点而不同。但是，研究已证明这些微生物更容易在消化道内聚集。由于其需要特殊培养条件，培养和分离这些物种是一大挑战。本研究新增加了276个新分离厌氧物种，使人体内已分离厌氧菌的数量增加到662个。

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发现新菌种的方法

目前我们对人类相关细菌的了解还很不足，只包含2776个可培养致病菌和共生菌。然而，培养法帮我们从临床样品中分离出94个细菌物种，其中43个是新种，51个是未从人体内分离出过的已知种。而且，我们用培养法成功分离出25个人类相关的环境物种，其中23个是新种。分离细菌的能力，而不仅仅是获得细菌序列，可以使研究者进一步了解他们的生物学意义、特征和治疗潜力。

由分类组学加速新分离物种

正如前面提到的，培养组学已经成功分离出许多新种，从不同方面描述这些新种的主要特性也很必要。基于此，我们实验室最近采用了一个新的分类学方法，目标是研究这些菌种的蛋白组、表型和基因型特征。这一方法的鉴定速度没有明显的平台期，与传统描述形式相比该方法可以有效输出描述报告（new species announcement，NSPA）。报告主要包括新种分离位置、生长条件、主要表型特性、16S基因序列等。自从2016年NSPA上线以来，我们成功在获得全部描述信息之前报道了100多个新种，每月的平均数量是标准描述方法的三倍。这使得我们可以在科学界内快速交流信息，尤其是当通过培养组学分离新种时。

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为了评估本文库中细菌的致病性，我们对其感染的生物学风险进行了分类。新加入的604个种中，只有10个被分类到风险数据库中。9个分类到风险2组，其群体感染风险较低，有一定的个人感染风险，1个分类到风险3组，其群体感染风险较低，个人感染风险较高。

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宏基因组学对人类微生物群落进行了大量研究，并成功找到其与健康和疾病的关系。这可以帮助研究者开发新的细菌疗法，而这只有在所用菌种可以培养并用于进一步实验时才可以实现。

集约式培养方法发现了人类共生体，其后高通量测序方法发现它对医学的重要性，所以这些方法是互补的，应该把他们放在一起掌握，即使培养法微生物研究很耗时，且很难应用于整个共生群体。

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正如之前提到的，通过分子法研究人类基因组时，OTUs是最大的挑战。但如果其参考菌可以在合适条件下培养，分子法产生的大量OTUs就不会是问题。实际上，人们最近花费大量精力通过培养法去解释OTUs的特性，破译人类微生物组的未知区域。这证明了在保持整体群落结构的情况下，培养法研究人类肠道微生物的可能性。

结论