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        限制性末端片段長度多態(tài)性分析技術(shù)及其在腸道微生物研究中的應(yīng)用

        2016-10-27 03:47:46江欣倚劉玲熊靖飛趙楚寧
        生物技術(shù)世界 2016年2期
        關(guān)鍵詞:分析研究

        江欣倚 劉玲 熊靖飛 趙楚寧

        (四川大學(xué)華西公共衛(wèi)生學(xué)院 四川成都 610041)

        限制性末端片段長度多態(tài)性分析技術(shù)及其在腸道微生物研究中的應(yīng)用

        江欣倚 劉玲 熊靖飛 趙楚寧

        (四川大學(xué)華西公共衛(wèi)生學(xué)院 四川成都 610041)

        限制性末端片段長度多態(tài)性分析技術(shù)(Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism,T-RFLP)具有高通量,低成本,低勞動力等特點(diǎn),是微生物生態(tài)學(xué)家在探索群落結(jié)構(gòu),功能及其動態(tài)變化中的一項(xiàng)實(shí)用方便的工具。自2012年至今,T-RFLP在腸道微生物領(lǐng)域研究方向不斷拓寬,隨后T-RFLP技術(shù)被更多的應(yīng)用于人體相關(guān)疾病與腸道微生物關(guān)系的研究中。盡管T-RFLP技術(shù)仍存在不足,但隨著16SrRNA基因序列數(shù)據(jù)庫和引物的改進(jìn),數(shù)據(jù)生成和分析統(tǒng)計(jì)工具的運(yùn)用,T-RFLP最終將能在各個(gè)領(lǐng)域體現(xiàn)其價(jià)值,為人類疾病研究事業(yè)帶來貢獻(xiàn)。

        限制性末端片段長度多態(tài)性分析 腸道菌群 動態(tài)變化 多樣性

        1 T-RFLP技術(shù)簡介

        1.1 T-RFLP技術(shù)原理

        T-RFLP分析技術(shù)是一種利用對細(xì)菌基因組中的保守序列(如16SrDNA)的T-RFs長度的多態(tài)性分析進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌分型的群落研究技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是根據(jù)靶序列的保守區(qū)設(shè)計(jì)通用引物,以熒光標(biāo)記引物的5’末端,并用限制性內(nèi)切酶對目標(biāo)片段進(jìn)行酶切,隨后以待分析樣的總DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,再選用合適的限制性內(nèi)切酶消化擴(kuò)增產(chǎn)物。由于核苷酸序列在不同菌的擴(kuò)增片段中存在差異,酶切位點(diǎn)也不盡相同,據(jù)此得到不同長度的限制性片段。最后對消化后的產(chǎn)物進(jìn)行自動測序儀測定,只有末端帶有熒光性標(biāo)記的片段能被檢測并可用T-RFs反映了微生物群落的組成情況。因此可用全部帶有熒光的T-RFs的長度和豐度代表群落結(jié)構(gòu)的多樣性。

        1.2 T-RFLP分析腸道微生物的主要步驟

        T-RFLP分析腸道微生物的主要步驟包括:(1)DNA的提取;(2)標(biāo)記引物分子PCR擴(kuò)增;(3)擴(kuò)增產(chǎn)物的純化、酶切;(4)結(jié)果測定及分析。

        1.3 T-RFLP技術(shù)評價(jià)

        隨著T-RFLP的廣泛運(yùn)用,T-RFLP技術(shù)在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的不足也被暴露出來,本部分主要將T-RFLP技術(shù)與另一指紋圖譜技術(shù)DGGE的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較(表1)。

        2 技術(shù)在腸道微生物研究方面的應(yīng)用

        2.1 T-RFLP的實(shí)驗(yàn)對象的發(fā)展

        嚙齒類動物、哺乳動物、環(huán)節(jié)動物、魚類、禽類和人類等均可作為T-RFLP檢測的實(shí)驗(yàn)對象。T-RFLP早年的實(shí)驗(yàn)對象多為魚類、禽類、嚙齒類動物、哺乳類動物等,自2012年至今,T-RFLP研究領(lǐng)域不斷拓寬,從大鼠,小鼠等實(shí)驗(yàn)動物階段到廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖業(yè)以及野生動物保護(hù)研究.隨后, T-RFLP技術(shù)被大量運(yùn)用于與人體相關(guān)的飲食因素,疾病研究當(dāng)中。Akira Andoh等[4]通過將患者與健康受試者腸道的微生物組成進(jìn)行組間及組內(nèi)對比后發(fā)現(xiàn)患者與受試者,發(fā)現(xiàn)病人腸道內(nèi)含有健康個(gè)體沒有的胃瘤球菌屬、真細(xì)菌、梭菌、γ-變形菌、非典型的擬桿菌和非典型乳桿菌,得出克萊恩病(Crohn’s disease)與腸道菌群的組成有關(guān)系.Katsuyuki Fukuda等[5]通過對患不同類型化膿性大腸炎病人的腸道微生物進(jìn)行T-RFLP分析,再對其結(jié)果進(jìn)行線性判別分析并計(jì)算出判別系數(shù)后發(fā)現(xiàn),判別系數(shù)與化膿性大腸炎的活動性程度有關(guān),提示可以通過判別系數(shù)DS對化膿性大腸炎的活動性進(jìn)行預(yù)測與判斷。

        2.2 T-RFLP具體方法的應(yīng)用發(fā)展

        T-RFLP的方法分為單熒光T-RFLP和雙熒光T-RFLP,張慧等[6]建立的雙熒光T-RFLP在準(zhǔn)確性和靈敏性方面,與傳統(tǒng)T-RFLP技術(shù)相比基本一致或優(yōu)于。通過參數(shù)優(yōu)化,可以在保證準(zhǔn)確度的前提下,獲得較高的靈敏度。由于單熒光T-RFLP成本低廉,檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和靈敏度可以滿足大多數(shù)實(shí)驗(yàn)要求,近些年,大部分研究使用的均為單熒光T-RFLP。

        表一T-RFLP與DGGE技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

        T-RFLP檢測過程涉及引物、酶、熒光素等。常見的真菌引物為ITS1F、ITS4R,古生菌引物為Ar3f、Ar927r,常用的細(xì)菌引物為27F、8F、63F、7F、1492R、1510R等,熒光一般標(biāo)記27F、8F、63F引物的5'端,其中27F和8F最為常用。目前常用的熒光物質(zhì)有6-羧基熒光素、NED、Cy5、D4熒光素等。T-RFLP技術(shù)一般用引物擴(kuò)增細(xì)菌片段16SrRNA和16SrDNA,真菌的擴(kuò)增片段是ITS序列,古生菌為16SrRNA。用于酶切PCR擴(kuò)增產(chǎn)物的限制性內(nèi)切酶較多,其中MspI、HhaI、HaeIII、RsaI比較常用;隨著T-RFLP技術(shù)的發(fā)展,限制性內(nèi)切酶種類也越來越多,近兩年相繼出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)使用限制性內(nèi)切酶BfaI和AluI。

        2.3 腸道菌群數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)展

        可用于T-RFLP數(shù)據(jù)分析的方法較多。原始T-RFLP數(shù)據(jù)可以利用TAP-T-RFLP和T-RFPred等在線工具,用一些抑制酶和其相關(guān)的“T-RFs”模式的預(yù)測對16SrRNA基因(庫)進(jìn)行電子消化后分析。最近,一些應(yīng)用如系統(tǒng)賦值工具(PAT),T-對齊(T-Align),ARB集成軟件工具,TRF-CUT,TRiFLe和T-RFLP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析軟件[7]等被運(yùn)用的較多,其可用于完成剖面對比、樹狀圖形式等任務(wù)從而對數(shù)據(jù)和相似性的表達(dá)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在眾多分析方法中,一般而言,PCA,MDS,SOM和AMMI推薦用于群落成員之間相似性和差異性的可視化處理;集群分析和貝葉斯分析用于分群鑒定;CCA和RDA用于將微生物群落變化與環(huán)境的變化聯(lián)系起來[8]。

        3 技術(shù)前景展望

        T-RFLP技術(shù)盡管還存在不足,但毋庸置疑,其仍然是現(xiàn)今最好的分析微生物群落結(jié)構(gòu)的工具之一。將來,隨著16SrRNA基因序列數(shù)據(jù)庫和引物的改進(jìn),數(shù)據(jù)生成和分析過程中精制協(xié)議和統(tǒng)計(jì)工具的運(yùn)用以及分析方法的分辨率和分析技術(shù)的不斷提高,T-RFLP最終將能在腸道微生物群落結(jié)構(gòu),微生物與環(huán)境、宿主之間的關(guān)系等方面將發(fā)揮更大的作用。隨著時(shí)間的推移,我們有理由相信TRFLP技術(shù)將會越來越成熟,也將在人腸道菌群與人類健康的研究領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。

        [1]Osborn AM, Moore ERB, Timmis KN (1999) An evaluation of terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) analysis for the study of microbial community dynamics. Environ Microbiol,2000(1):39-50.

        [2]孫慶華,柏耀輝,趙翠 等.DGGE、T-RFLP、LH-PCR對兩種活性污泥的微生物種群多樣性分析的比較[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2009(8):1365-1369.

        [3]Osborn AM, Moore ERB, Timmis KN (1999) An evaluation of terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP)analysis for the study of microbial community dynamics. Environ Microbiol,2000(1):39-50.

        [4]Akira Andoh,Toshio Kobayashi et al.;Characterization of gut microbiota profiles by disease activity in patients with Crohn's disease using data mining analysis of terminal restriction fragment length polymorphisms;Biomedical Reports 2014(2):370-373.

        [5]Katsuyuki Fukuda,Yoshiyuki Fujita;Determination of the discriminant score of intestinal microbiota as a biomarker of disease activity in patients with ulcerative colitis;BMC Gastroenterology 2014(14):49.

        [6]張惠.雙熒光T-RFLP方法的建立及應(yīng)用[D].大連海事大學(xué),2012.

        [7]Ricke P, Kolb S, Braker G Application of newly developed ARB software- integrated tool for in silico terminal restriction fragment length polymorphism analysis reveals the dominance of a novel pmoA cluster in forest soil. Appl Environ Microbiol,2005(71):1671-1673.

        [8]Hugenholtz P, Goebel BM, Pace NR Impact of culture independent studies on the emerging phylogenetic view of bacterial diversity. J Bacteriol,1998(180):4765-4774.

        S831

        A

        1674-2060(2016)02-0307-02

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