微生物基因組研究新利器強勢上線！

最新 06-21

在上周剛剛結束的「第八屆傳染病防控基礎研究與應用技術論壇」上，QIAGEN帶來了全新的微生物組解決方案。該方案除了高效的核酸製備和建庫方案，還加入微生物基因組生物信息學分析的解決方案：CLC Genomics Workbench和CLC Microbial Genomics Module。今天，我們再來為您詳細介紹一下這個新的解決方案。

如果說CLC Genomics Workbench為研究人員提供了一個易於分析和可視化NGS數據分析平台，那CLC Microbial Genomics Module 2.0則進一步擴展了功能，配備了基於基因組分析的病原體分型，疫情監測與分析以及微生物組分析的所有工具，可實現宏基因組測序數據中菌株水平的鑒別。

本期，我們將採用一篇已發表的研究中的原始測序數據[1]，並使用CLC Genomics Workbench和CLC Microbial Genomics Module 2.0對數據進行分析，讓您更直觀地了解CLC Microbial Genomics Module的卓越性能。

樣本信息

為了研究使用環丙沙星治療對腸道微生物組的影響，兩名健康的男性志願者（S1和S2）口服環丙沙星治療6天（500mg，每天兩次）。收集兩人治療前（基線）第1,3和6天，治療後第2和28天的糞便樣品。提取後進行高通量測序，並對生成的測序原始數據展開分析。

實驗結果

為了構建適合分類分析的參考基因組資料庫，我們使用了CLC Microbial Genomcis Module 中「Create Microbial Reference Database」這項新功能。這個工具使用戶能夠從NCBI上輕鬆構建和下載包含最新版本的所有完整微生物基因組或其他有意義的參考資料庫。在本次分析中使用的資料庫包含了45,616條微生物基因組序列。

分類分析

CLC Microbial Genomcis Module 2.0包括3個預配置和即用型的工作流程。數據QC和分類分析工作流程會使用之前創建的參考資料庫來執行序列修剪和分類分析（圖1）。流程中還包括了過濾掉宿主DNA測序數據的選項。輸出的結果將包含質量控制（QC）和序列修剪報告，並生成微生物種群組成丰度和多種形式的圖表結果（如sunburst plot，堆疊條和堆積面積圖）。

Figure 1. The Data QC and Taxonomic Profiling workflow.

Figure 2. Sunburst chart showing the relative abundance of bacterial within the phylum Firmicutes in S1. As shown in the legend 15% of all taxa identified in this sample group are Firmicutes.

Alpha多樣性分析和稀釋曲線分析

結果顯示，與S2相比，S1具有更加多樣化的腸道菌群，且在抗生素治療第6日時多樣性下降最大。S1和S2均在治療後的28天後恢復了大部分的多樣性。該結果與發表的結論一致。

Figure 3. Alpha diversity analysis shows that gut microbiome of S1 was profoundly disturbed by Cp treatment.

Beta多樣性分析

Beta多樣性分析中顯示，S1和S2的變形菌門丰度下降的趨勢一致，然而其他四種優勢門類（疣微菌門、厚壁菌門，擬桿菌門和放線菌門）的反應卻不盡相同。通過PCoA分析顯示了S1和S2在不同時間的beta多樣性具有相似的變化趨勢。該結果與發表的結論一致。

Figure 4. Stacked bar chart showing the gut microbiome diversity of S1 and S2 on phylum level. Samples are grouped by subject, and individual bars are labelled with subject and treatment day.

Figure 5. PCoA plots of the beta diversity between S1 samples (top) and S2 samples (bottom). Baseline is shown in green, during treatment (day 1, 3 and 6) in blue and post treatment (2 and 28 days after treatment start) in red, and is labeled with the treatment day.

顯著性差異分析

CLC Microbial Genomics Module 2.0還包含了顯著性差異分析工具，運用嚴格的統計學方法評估觀察到的差異的顯著性。

Figure 6. The output of differential abundance analysis on family level, comparing S1 and S2 while correcting for treatment phase.

實驗結論

以上，我們演示了如何使用CLC Microbial Genomics Module 2.0來分析宏基因組測序數據，利用該高度整合的平台所得到的各項分析結果，都與原文章中使用獨立分析工具得到的結果一致。

此外，通過CLC Microbial Genomics Module中預配置的工作流程可確保分析工作的簡單方便。內置的統計工具和數據可視化工具可完成對多個樣本或樣本組之間進行比較，並提供清晰和互動式的圖形結果。