在腸道中，微生物與宿主之間進行密切的信息交流，在代謝、免疫、神經系統(tǒng)調控中起重要作用。不同組成的微生物能影響機體體重、消化功能、抵御感染和自身免疫疾病的患病風險，此外，還能影響機體對藥物的反應。這些腸道微生物主要通過小分子的代謝物與宿主進行密切的相互作用。微生物的代謝組學可發(fā)現腸道微生物隨宿主病理生理變化的關鍵代謝物，為微生物組-宿主互作機制研究提供線索。通過微生物組+代謝組聯合分析，可以對微生物與代謝物之間的相互關系進行研究，如微生物菌群與其生存環(huán)境的關系，代謝物對微生物穩(wěn)態(tài)的影響，菌群改變在復雜疾病中的作用機理，微生物菌群的生理作用與其代謝產物及其代謝功能之間的相互作用關系及微生物菌群參與的多種代謝調控途徑等。在宿主生理、疾病病理、藥物藥理等方面具有良好的應用前景。

代謝組學+轉錄組學

代謝組是生物體發(fā)育和生理狀態(tài)在代謝水平的體現，是基因組與表型組之前的橋梁，差異積累的代謝物可以輔助時序表達的眾多基因進行“共表達”分析，提示基因功能，研究分子生化機制，將基因與表型聯系起來。

轉錄組+代謝組的多組學分析，可以同時實現從“因”和“果”兩個層面來探究生物學問題，可以從大量轉錄本信息中快速鑒定代謝相關的功能基因，構建核心調控網絡，找出關鍵候選基因，闡述生物學現象。

代謝組學+蛋白質組學

代謝組學目的是系統(tǒng)研究代謝中涉及的化學過程；蛋白質作為酶可以調控生物體代謝過程，影響生物體內代謝物濃度。通過整合分析。一方面可以結合兩個組學的分析結果，進行相互驗證，提高后續(xù)實驗驗證成功率；另一方面也有助于相互補充，并且使研究更加系統(tǒng)。

實現對生物變化大趨勢與方向的綜合了解，提出分子生物學變化機制模型，并篩選出重點代謝通路相關的蛋白質或者代謝產物，從而為后續(xù)進行深入實驗與分析提供數據基礎。

研究方案

材料：選擇20頭泌乳中期奶牛，連續(xù)8周添加20 g m/d的RPM，

方法：宏基因組測序+非靶代謝組檢測

研究背景

雞胸肉含有不飽和脂肪酸和較低的脂肪、鈉和膽固醇，是大家最喜歡肉類之一。近年來，隨著人們對食品營養(yǎng)價值和自身健康的重視，研究者們開始致力于如何提高肉類質量的研究，而生長時期是影響雞肉質量的重要因素，但不同時期哪些特定代謝物積累是影響雞肉品質的關鍵還不清楚。本研究使用代謝組和轉錄組技術，確定了特定代謝物積累的關鍵基因，有助于了解肉類質量發(fā)展下的生物過程，并探索特定代謝物積累的有價值的生物標志物。

技術路線

主要研究結論

隨著日齡的增長，十五烷酸、硬脂酸、肌酸、肌肽、IMP、L-組氨酸和賴亮氨酸呈上升趨勢，而鵝氨酸、DHA、天冬氨酸、LPA 18:1和 LPI 18:1隨著日齡的增長而下降。

雞胸肉代謝受日齡影響的主要途徑是果糖和甘露糖代謝、花生四烯酸代謝、甾體激素生物合成、核黃素代謝、不飽和脂肪酸生物合成和亞油酸代謝。

代謝組和轉錄組的整合分析揭示了影響化學成分和代謝途徑的潛在功能基因，例如DGAT2、CYP2D6、APOV1、PLTP、PNMT。這些結果將有助于了解肉質發(fā)展的生物學過程，并探索特定代謝物積累中有價值的生物標志物。

多組學關聯分析文獻案例案例二

Interaction Between the Intestinal Microbial Community and Transcriptome?Profile in Common Carp (Cyprinus carpio L.).Frontiers in microbiology(IF 6.064),2021年4月

微生物和轉錄組聯合分析解析鯉魚腸道菌群與轉錄組水平的相互作用

研究方案

材料：黃河鯉新品系（中國水產科學院淡水漁業(yè)研究中心）和傳統(tǒng)黃河鯉，水池中單獨喂養(yǎng)。

方法：轉錄組＋16s微生物多樣性

研究背景

近年來，腸道微生物對宿主生產性能的影響受到廣泛關注。宿主的生產性能可以通過調節(jié)腸道微生物結構來調節(jié)，而腸道微生物結構又主要受遺傳和飼料的影響，腸道微生物也能影響宿主的基因表達和甲基化水平。研究發(fā)現約10%的宿主轉錄組受微生物調節(jié)，主要包括免疫、細胞增殖和代謝功能相關基因。腸道微生物與宿主基因表達之間的相互作用機制會影響飲食行為、消化過程、免疫功能和其他生理現象。一天中微生物的活動會改變宿主的生物節(jié)律、表觀遺傳學和代謝產物。當微生物群落內穩(wěn)態(tài)的節(jié)律被破壞時，宿主的正常染色質和基因表達水平將發(fā)生變化，腸-肝軸基因表達的新機制將被激活，這種相互作用主要通過腦和肝的遠程控制模式實現。因此，作者運用轉錄組和微生物多樣性聯合分析來解析新黃河鯉品種的腸道微生物群通過調節(jié)腸道基因表達影響其生長性能的方式，以此為黃河鯉新品種的選育提供參考。

技術路線

不同品種鯉魚腸道轉錄組與腸道微生物多樣性研究思路導圖

主要研究結果

腸道細菌群落結構與生長性能的關系：測量了黃河鯉新品四個生長性能參數（體重、長度、寬度和深度）。對照組的所有參數均比對照組顯著提高：重量14.58%，深度7.14%，寬度5.04%，長度5.07%。為了評估黃河鯉新品種的生長性能是否與其腸道菌群有關，將實驗組和對照組在相似的生長環(huán)境中進行培養(yǎng)，并探討其腸道細菌群落結構的差異。多樣性分析結果顯示實驗組的平均OTU豐富度（322.80±67.87）高于對照組（303.00±53.00）。實驗組和對照組共鑒定出94個共有的細菌類群。PCA 分析和系統(tǒng)發(fā)育樹將所有樣本分為兩部分，表明實驗組和對照組是可明顯區(qū)分的。在屬水平上對細菌組成（相對豐度）進行分析，結果表明氣單胞菌（Aeromonas）是對照組的優(yōu)勢類群，其次是厚壁菌（Firmicutes）和玫瑰單胞菌（Roseomonas），而實驗組中，玫瑰單胞菌（Roseomonas）是優(yōu)勢類群，其次是厚壁菌（Firmicutes），然后是氣單胞菌（Aeromonas）。結果表明這兩個群體的細菌群落結構是不同的，這意味著宿主（黃河鯉魚新品種）基因組與微生物組相互作用，以選擇某些微生物類群，暗示腸道菌群組成會影響鯉魚的生長性能。

實驗組和對照組之間的差異基因表達：使用與16S測序相同的樣本對黃河鯉新品種（實驗組）和對照組中的轉錄組進行測序并鑒定差異基因（DEG）。在249個顯著DEGs中，194個基因表達下調，55個基因表達上調。通過GO注釋，這些基因被分為以下功能類別：生物調節(jié)、細胞過程、解毒作用、發(fā)育過程、免疫系統(tǒng)進程等（都屬于生物過程）；細胞、細胞部分、胞外區(qū)域、胞外區(qū)域部分、大分子復合物等（細胞成分）；抗氧化活性、結合活性、催化活性、分子功能調節(jié)器上等（分子功能）。聚類分析表明，實驗組和對照組具有不同的特征，DEG分為四個部分，大部分基因注釋到了免疫相關途徑。

與腸道細菌群落組成相關的差異表達基因：Pearson相關性用于推斷微生物屬級群落組成與DEGs之間的關系，共探索了2892對，包括245個基因和256個屬。篩選出來細菌群落具有屬級關系的前10個候選基因，其中許多參與免疫反應，如H-2類組織相容性抗原、類 E-Sβ鏈（H2-Eb1）、類胸苷磷酸化酶（TYMP）、干擾素誘導蛋白44（IFI44）和主要組織相容性復合物I類相關基因蛋白樣（MR1）等。DNA修復蛋白RAD51同源物4（Rad51d）、ETS易位變異體5、轉錄本變異體X2（Etv5）和著絲粒蛋白Spc24（Spc24）與細胞分化和生長性能相關，這些基因可能在黃河鯉魚新品種生長性能中發(fā)揮關鍵作用?？偠灾c道細菌可以影響腸道中的基因表達，其中優(yōu)勢種或細菌結構可能反映宿主黃鯉魚新品種的遺傳特征。腸道的細菌-基因表達譜有助于宿主腸道的健康和性能，通過與基因頻率配對確定前10個屬為：Bordetella,Lutispora,Methylocystis,Ohtaekwangia,Roseomonas,Shewanella,GpVI,Desulfovibrio,Candidatus_Berkiella and Azorhizobium，其中，Methylocystis數量最多，在甲烷循環(huán)中起作用。該研究提出了腸道細菌群落與基因表達相互作用的證據，共探索了2892對（屬級基因和細菌），包括245個基因256個屬。作者發(fā)現大多數基因涉及免疫學、細菌群落和細胞分化，其中大多數位于免疫相關信號通路中。該研究表明黃河鯉新品種生長性能的改善可能與其免疫反應的改善及其在腸道細菌結構中的相互作用有關。

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