Metagenomik hilft, mikrobielle pathogenetische Mechanismen aufzudecken.

Metagenomik ist eine neue Generation von Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie (NGS), die das Genom der Mikropopulation in einer bestimmten Umgebung als Forschungsobjekt nimmt. Basierend auf der Analyse der mikrobiellen Vielfalt, der Populationsstruktur und der evolutionären Beziehungen kann sie weiter die funktionale Aktivität der Mikropopulation, die Beziehung zwischen gegenseitiger Zusammenarbeit und der Umwelt sowie die potenzielle biologische Bedeutung untersuchen.

Metagenomik zur Untersuchung der Pathogenese von Infektionskrankheiten

Infektionen gehören zu den Hauptursachen für den Tod bei kritisch kranken Patienten. In den letzten Jahren, mit dem Auftreten neuer und arzneimittelresistenter Erreger sowie dem allmählichen Anstieg der immunsupprimierten Bevölkerung, bleiben die Inzidenzrate und die Sterblichkeit durch Infektionen hoch. Atemwegsinfektionen sind eine der häufigsten Infektionsarten in der klinischen Praxis, typischerweise gekennzeichnet durch einen akuten Beginn, eine schnelle Progression und eine komplexe Erregerzusammensetzung. Die Identifizierung des Erregers in kurzer Zeit ist der Schlüssel zur frühzeitigen Erkennung und Behandlung von Atemwegsinfektionen. Kürzlich haben Forscher mehr als 1000 diagnostische Daten aus hochdurchsatzmetagenomischen Sequenzierungen analysiert und ausgewertet, die von der lokalen Plattform des Zhongshan-Krankenhauses generiert wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass Bronchoalveoläre Lavageflüssigkeit der beste Probentyp für die hochdurchsatzsequenzielle Erkennung von Erregern von Atemwegsinfektionen war, und Lungengewebe sowie Sputum konnten als Proben ausgewählt werden, wenn der Verdacht auf eine Mycobacterium tuberculosis-Infektion bestand; Der Immunstatus des Wirts ist ebenfalls einer der Faktoren, die die Struktur des Atemwegsmikrobioms beeinflussen, und der Anteil der Herpesvirusnachweise ist bei immunsupprimierten Wirten höher. Schließlich bestätigte die Studie erneut, dass die Festlegung unterschiedlicher bioinformatischer diagnostischer Schwellenwerte für verschiedene Erreger effektiv pathogene Erreger in Atemwegsproben identifizieren kann, die Datennutzung verbessert und effektive Lösungen für die klinische automatisierte Analyse bietet.

Die Erkennungsleistung von mNGS bei verschiedenen Krankheitserregern und Proben sowie der Vergleich der Positivraten mit der traditionellen Kultur.

Mikrobielle Verteilung in verschiedenen Patientengruppen

Metagenomische Sequenzierung enthüllt pathogenetische Mechanismen von Krankheitserregern.

Die kultivierbaren Mikroorganismen in Pflanzenendophyten sind sehr begrenzt. Metagenomik ist eines der effektiven Mittel zur Untersuchung von Pflanzenendophyten. Durch die Forschungsmetode der Metagenomik, die nicht auf reiner Kultur basiert, konstruieren wir eine Metagenom-Bibliothek von Pflanzenendophyten und screenen direkt aus dieser Bibliothek, um biosynthetische Gencluster zu erhalten, deren Funktionen weiter zu identifizieren, qualitative und quantitative Analysen von Pflanzenendophyten durchzuführen und direkte Beweise für den Ursprung von Pflanzenmikroben zu liefern. Einige Böden zeigen signifikante krankheitshemmende Funktionen gegenüber Pflanzenpathogenen, die hauptsächlich dem pflanzenassoziierten Mikrobiom zugeschrieben werden. Mikroben, die in Pflanzen leben, können das Pflanzenwachstum und die Gesundheit fördern, aber ihre genomische und funktionale Vielfalt bleibt weitgehend unerforscht. Um die krankheitshemmende Funktion von endophytischen Bakterien, die in Pflanzenwurzelgeweben leben, zu verstehen, führte der Autor eine metagenomische Sequenzierungsanalyse an den Wurzeln von Zuckerrübenkeimlingen durch, die in krankheitshemmendem Boden gewachsen sind. Die mikrobielle Gemeinschaft und die funktionale Zusammensetzung, die mit der Krankheitsunterdrückung in Verbindung stehen, wurden identifiziert, um zu unterscheiden, welche biosynthetischen Gencluster (BGCs) während der Infektion hochreguliert wurden, und anschließend wurde die endophytische Flora rekombiniert; schließlich wurde eine standortspezifische Mutagenese-Analyse durchgeführt, um zu bestimmen, ob spezifische BGCs eine wichtige Rolle im Prozess der Krankheitsunterdrückung spielen. In der zweiten Phase der Pathogeninvasion in Pflanzenwurzeln können endophytische Bakterien eine zusätzliche Schutzschicht bieten. Wenn Pathogene eindringen, reichern sich Mitglieder der Familien Chitinophagaceae und Flavobacterium in Pflanzen an und zeigen eine erhöhte Enzymaktivität, die mit dem Abbau der Pilzzellwand sowie der Biosynthese von sekundären Metaboliten, die von NRPSs und PKSs kodiert werden, in Verbindung steht. Nach der Rekombination von 25 bakteriellen Genomen unter Verwendung metagenomischer Sequenzen (de novo) kann eine synthetische Gemeinschaft (Syncom) von Flavobacterium und Chitinbakterien rekonstruiert werden, die einen Krankheitsschutz bietet. Die Ergebnisse dieser Studie heben die reichhaltigen unbekannten mikrobiellen Gemeinschaften und funktionalen Eigenschaften im endophytischen Mikrobiom hervor. Die Kategorie und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaften wurden erfolgreich mithilfe von metagenomischer Analyse und Netzwerk-Inferenz bestimmt, wodurch pflanzliche Phänotypen in Bezug auf spezifische mikrobielle Gruppen gewonnen wurden.

Pathogen-induzierte Veränderungen in der Diversität und den Funktionen des endophytischen Mikrobioms.

Vielfalt und Verteilung von biosynthetischen Genclustern im endophytischen Mikrobiom

Vergleichende genomische Analyse sequenzierter Xanthobacterium-Genome und makrogenomischer Assemblierungsgenome (MAG)

Metagenomik, die die neue Generation der Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie (NGS) nutzt, um das Mikrobengenom in einer bestimmten Umgebung zu untersuchen, kann die funktionale Aktivität der Mikrobengemeinschaft, die gegenseitigen Kooperationsbeziehungen und die Beziehung zur Umwelt weiter erforschen und potenzielle biologische Bedeutungen auf der Grundlage der Analyse der mikrobiellen Diversität, der Populationsstruktur und der evolutionären Beziehungen untersuchen.

Referenzen:

1. Carrión, Víctor J u. a."Pathogen-induzierte Aktivierung von krankheitsunterdrückenden Funktionen im endophytischen Wurzelmikrobiom." Wissenschaft (New York, N.Y.) Band. 366,6465 (2019): 606-612.
2. Zeng, Qingchao u. a."Vergleichende genomische und funktionale Analysen von vier sequenzierten Bacillus cereus Genomen zeigen die Erhaltung von Genen, die für pflanzenwachstumsfördernde Eigenschaften relevant sind." Wissenschaftliche Berichte Bd. 8,1 17009. 19. Nov. 2018.