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干貨 | <第四期課程回顧>打開微生物世界的秘鑰『宏基因組技術(shù)』

 尐尐呅 2022-06-09 發(fā)布于湖北

CNGBdb組學(xué)/數(shù)據(jù)庫系列課程開講啦!

2019年7月25日<第四講>上線

課程名稱:打開微生物世界的秘鑰『宏基因組技術(shù)』

講師:宋澤偉/深圳華大生命科學(xué)研究院,,宏基因組研究中心,研究員,;明尼蘇達(dá)大學(xué),,博士/博士后

課程現(xiàn)場

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課程概要

  1. 什么是生態(tài)學(xué)?為什么要研究微生物生態(tài),?

  2. 測序能干什么,?

  3. 如何開展宏基因組項(xiàng)目:實(shí)驗(yàn)、計(jì)算,、分析

2

現(xiàn)場Q&A


Q:目前基因測序與干細(xì)胞移植有沒有相關(guān)聯(lián)交叉的課題呢,?

A:這個(gè)問題更多的是和人的基因組相關(guān),例如病人術(shù)后康復(fù)會和其腸道菌群密切相關(guān),,不過這主要在癌癥上,,即調(diào)節(jié)病人腸道菌群可以幫助其進(jìn)行術(shù)后康復(fù),具體到胚胎實(shí)驗(yàn)的話,,這個(gè)不在我的領(lǐng)域范圍,。

Q:關(guān)于樣本采集,比如研究一個(gè)湖泊的微生物,,如何采樣比較合理,?

A:這個(gè)首先需要研究者清楚自己要回答什么問題(研究目的),統(tǒng)計(jì)學(xué)可以計(jì)算我們需要的樣本量,,這需要你事先知道測定樣本的變異程度(variation),所以有條件的話,,我會進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn),如果沒有條件進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn),,建議盡可能的多采樣(盡管不是那么科學(xué)),。

Q:如果用denovo來建立那個(gè)表的話,每一行是一個(gè)OTU,,它們基于數(shù)據(jù)集產(chǎn)生,,denovo產(chǎn)生的OTU只能是一次項(xiàng)目使用嗎?對于同類型的其他項(xiàng)目是否有參考意義,?如果基于目前的數(shù)據(jù)庫也找不到OTU,,要怎么分析呢?

A:我們前期的研究顯示:目前針對擴(kuò)增子(16s或ITS)的數(shù)據(jù)庫,,已經(jīng)基本能代表大家平時(shí)能想到的樣品,,即使對于一些非常罕見的樣品,大部分序列都可以在參考數(shù)據(jù)庫找到?;谶@樣的研究結(jié)果,,我們認(rèn)為可以用refrence來代替denovo的方法。

如果想研究未知的物種怎么辦,?這個(gè)需要從兩個(gè)方面來思考:1)解讀菌落結(jié)構(gòu),,利用菌落矩陣選擇可靠的refrence的方法,得到一些結(jié)論,;2)把已知數(shù)據(jù)庫無法解讀的信號單獨(dú)出來再做研究,。即分成獨(dú)立的兩個(gè)問題來回答,而不是用同一個(gè)方法解決兩個(gè)問題,。

Q:宏基因組測序可以應(yīng)用于感染病嗎,?

A:可以。

Q:宏基因組測序在寄生蟲領(lǐng)域有哪些應(yīng)用,?

A:首先不知道寄生蟲領(lǐng)域具體是哪個(gè)方向,,以人體寄生蟲領(lǐng)域?yàn)槔梢赃M(jìn)行一些早期預(yù)測的檢測,,即在這個(gè)寄生蟲信號還比較低的時(shí)候,,就把它從幾百萬的序列中挑出來,這也是目前的一個(gè)已經(jīng)在做的應(yīng)用方向,,這個(gè)應(yīng)用涉及快速檢索的算法,需要建立一個(gè)搜索引擎,,對于醫(yī)院及需要做預(yù)測的部門會比較有用,。

Q:最新開發(fā)的Linked read測序方式對meta測序方面有改進(jìn)作用嗎?

A:不知道這里提到的Linked read是不是類似10x的技術(shù),,我暫時(shí)默認(rèn)是,。目前我們正在做用stLFR測擴(kuò)增子的開發(fā)項(xiàng)目,我們希望把核糖體RNA的全長測出來,,但是這中間存在算法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的挑戰(zhàn),,是可以做但是這條路還沒有最后走通,我們正在努力,。

Q:16S引物的覆蓋度是怎樣,?V3和V3-4那個(gè)好一些?

A:這個(gè)問題沒法回答,,這取決于經(jīng)驗(yàn),,比如人類腸道基因組計(jì)劃中,他們分別挑了分屬于不同種Staphylococus,,這兩個(gè)種在V4區(qū)是完全一樣的,,即在V4區(qū)是無法區(qū)分但是可以在V1區(qū)被分開,但是又不是所有菌在V4區(qū)都分不開,而實(shí)際上V4區(qū)是目前大家用的最多的區(qū)域,,不同的菌在不同區(qū)的分辨率是不同的,。如果你局限于單基因,那么就永遠(yuǎn)跳不出單基因給你的分辨率,,這也就是為什么我們最終還是會走向shotgun sequenncinf,,但是擴(kuò)增子由于單個(gè)樣本需要的通量小,它可以應(yīng)用于快檢或者用于測量百萬級別的樣品,。對于分辨率,,如果你focus在一個(gè)基因,就逃不過這個(gè)基因給你的分辨率,。

Q:實(shí)驗(yàn)部分,,如果16S或meta建庫條帶很散,散的部分沒割膠回收是不是多樣性會變低,?但是回收散的部分文庫檢測又不合格,。

A:實(shí)際上我們不割膠,只是為了驗(yàn)證條帶是否有跑出來,。不過這確實(shí)是一個(gè)問題,,比如做真菌ITS,會看到多個(gè)條帶,,這個(gè)條帶已經(jīng)超過了預(yù)測的長度,,我們不知道具體原因,但有可能是因?yàn)楹颂求wRNA在基因組中是連續(xù)重復(fù)的,,而且在真菌中是連續(xù)上千個(gè)重復(fù),,這就有可能導(dǎo)致更大片斷的擴(kuò)增子,但是目前還不確定是不是這樣的原因,,不過經(jīng)常遇到這樣的現(xiàn)象,。

Q:現(xiàn)在是否可以用人工智能的技術(shù)進(jìn)行基因組測序?

A:測序可能不太可能,,但是說到數(shù)據(jù)分析目前有一些工具,,但是效果并不能達(dá)到傳統(tǒng)工具的效果,我個(gè)人認(rèn)為是因?yàn)槲覀冎赖倪€太少,,我們已知的測序得到的基因組還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,,我們現(xiàn)在無法估計(jì)世界上有多少微生物。

Q:宏基因組是不是也需要和很多微生物的基因組去比對呢,?那比對的時(shí)候,,有沒有常用的微生物基因組呢?

A:我推薦大家去看一下2018年natrue那篇文章,,如果你做的是人類腸道樣本而不是土壤樣本,,你想知道最可靠最不可能被編輯拒稿的方法,,可以去看一下這個(gè)文章,它實(shí)際上是把測序的序列比對了最常見的蛋白數(shù)據(jù)庫,,比如KEGG等,,或特定功能的數(shù)據(jù)庫,比如抗生素基因,、和碳源代謝有關(guān)的基因等?,F(xiàn)在尤其是對土壤來說,宏基因組你想比較充分利用你的數(shù)據(jù)可能比對的方法會更有效,,但是目前很多公司都會把測序數(shù)據(jù)先組裝,,然后根據(jù)組裝的結(jié)果進(jìn)行解讀,而組裝利用到的數(shù)據(jù)不到10%,,不過這也取決你測序樣本的復(fù)雜性,。

Q:16sV4區(qū)是否有最新發(fā)表的通用引物?

A:目前有研究是通過搜索數(shù)據(jù)庫,,發(fā)布了一個(gè)V4區(qū)的改進(jìn)引物,,但是這個(gè)引物效果如何很難驗(yàn)證,所以目前大家常用的還是之前的引物,。

Q:病人的腸道菌群是可能因?yàn)槊刻斓娘嬍巢煌l(fā)生變化,,但是我們實(shí)際上是想要知道,因?yàn)槟撤N比較固定的膳食習(xí)慣,,人體腸道菌群可能會有一些固定的菌群在某種疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用,,如何區(qū)分這些因素對固定腸道菌群混雜?

A:這不是一個(gè)測序的問題,,是一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問題,,怎樣通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)把飲食效果識別出來。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以減輕后續(xù)統(tǒng)計(jì)的難度,,或者通過示蹤,,但是這個(gè)我沒有做過,。

Q:如了解土壤微生物與植物土傳病害間關(guān)系,,該如何設(shè)計(jì)和取樣?

A:首先和土傳病害沒有關(guān)系,,還是在于你想回答的問題是什么,,是否有已知信息已經(jīng)知道某些微生物會抑制某些疾病,還是所有信息都未知,,希望通過實(shí)驗(yàn)得到一些重要信號,。我沒有辦法給大家一個(gè)具體建議,這個(gè)問題還是取決于你本身的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),。微生物測序只能給你多一層的數(shù)據(jù)(一個(gè)矩陣),,怎么用這個(gè)矩陣是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問題。

Q:我有兩組數(shù)據(jù),做β多樣性pcoa得到pc1是95%,,pc2是2%,,但圖示顯示兩組樣本幾乎重疊,這樣的數(shù)據(jù)有意義嗎,?

A:這個(gè)取決于你如何解讀,,但是pc1為什么會那么高,是否考慮有outlier,。

Q:宏基因組測序的測序深度一般是多少呢,?

A:還是取決于你要回答的問題,但是有一點(diǎn),,宏基因組測序永遠(yuǎn)是淺的,,隨機(jī)的片段永遠(yuǎn)是非常淺的數(shù)據(jù),你的coverage達(dá)不到1,,甚至達(dá)不到0.01,,不過這個(gè)是針對復(fù)雜樣品,比如土壤或者腸道,。

如何分析shotgun數(shù)據(jù),,目前沒有100%的定論,但是我們傾向于用基因組的方法來解決而不是組裝的方法,,我有shotgun的數(shù)據(jù),,有從頭組裝和比對兩個(gè)選擇,從頭組裝就是我不依賴數(shù)據(jù)庫,,把它拼回原始的“拼圖”,,但是因?yàn)楹昊蚪M數(shù)據(jù)沒有辦法得到完整的數(shù)據(jù),即使我得到了一個(gè)較長的序列,,還是需要依賴數(shù)據(jù)庫對這些序列做注釋,,即還是無法繞開已知基因組。我們可以把這個(gè)問題分成兩個(gè)部分,,完善基因組是一些科學(xué)家的任務(wù),,而作為微生物生態(tài)學(xué)家我們沒有太多精力去詳細(xì)研究具體微生物,所以我們選擇相信目前的數(shù)據(jù)庫是可靠的,,如果目前的數(shù)據(jù)庫無法回答我的問題,,可能高通量測序不是一個(gè)有效的工具。

Q:熒光定量的實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證宏基因組測出來的優(yōu)勢菌,,是否有必要,?

A:這取決于對你是否有幫助,我們之前的研究中會去做,,是因?yàn)椴惶嘈磐ㄟ^PCR之后再來進(jìn)行定量是不是準(zhǔn)確,,但是我們也不可能每個(gè)OTU都去設(shè)計(jì)引物,,當(dāng)時(shí)我們有一個(gè)樣品中,一個(gè)已知真菌有一段特定序列我們已經(jīng)有探針,,我們發(fā)現(xiàn)通過Q-PCR做的定量和高通量做的定量相關(guān)性還是很好的,,基本上可以滿足我們對定量的需求。

Q:如果分析時(shí)某個(gè)菌種比對上的reads數(shù)特別少,,怎么確定是該物種,?該菌種是否實(shí)際存在?

A:這個(gè)問題很好,,比如一個(gè)矩陣中,,OTU在某個(gè)樣品中數(shù)據(jù)是1,那么它究竟是有還是沒有,?之前有研究也有討論這樣的問題,,這個(gè)不是那么容易得出結(jié)論的,測序深度是有一個(gè)檢測限的,,如果矩陣中出現(xiàn)了1和0,,并不代表這個(gè)菌是1或者0,有可能在一個(gè)樣品中沒有測到這個(gè)菌不是因?yàn)闆]有這個(gè)菌而是因?yàn)闇y序沒有測到,,測到1可能是在樣品中它很豐富但是只測到1,,這個(gè)東西可以通過技術(shù)重復(fù)定出來,但是很少有研究會這么做,,因?yàn)檫€沒有那么大的深度應(yīng)用于擴(kuò)增子的數(shù)據(jù),。通常一個(gè)微生物群落都是有非常少數(shù)很豐富的物種和非常長的尾巴,這個(gè)尾巴就是非常多稀少物種,,越稀少測不準(zhǔn)的概率越高,。

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