多组学关联分析文献案例-动物生长发育篇

在肠道中，微生物与宿主之间进行密切的信息交流，在代谢、免疫、神经系统调控中起重要作用。不同组成的微生物能影响机体体重、消化功能、抵御感染和自身免疫疾病的患病风险，此外，还能影响机体对药物的反应。这些肠道微生物主要通过小分子的代谢物与宿主进行密切的相互作用。微生物的代谢组学可发现肠道微生物随宿主病理生理变化的关键代谢物，为微生物组-宿主互作机制研究提供线索。通过微生物组+代谢组联合分析，可以对微生物与代谢物之间的相互关系进行研究，如微生物菌群与其生存环境的关系，代谢物对微生物稳态的影响，菌群改变在复杂疾病中的作用机理，微生物菌群的生理作用与其代谢产物及其代谢功能之间的相互作用关系及微生物菌群参与的多种代谢调控途径等。在宿主生理、疾病病理、药物药理等方面具有良好的应用前景。

代谢组学+转录组学

代谢组是生物体发育和生理状态在代谢水平的体现，是基因组与表型组之前的桥梁，差异积累的代谢物可以辅助时序表达的众多基因进行“共表达”分析，提示基因功能，研究分子生化机制，将基因与表型联系起来。

转录组+代谢组的多组学分析，可以同时实现从“因”和“果”两个层面来探究生物学问题，可以从大量转录本信息中快速鉴定代谢相关的功能基因，构建核心调控网络，找出关键候选基因，阐述生物学现象。

代谢组学+蛋白质组学

代谢组学目的是系统研究代谢中涉及的化学过程；蛋白质作为酶可以调控生物体代谢过程，影响生物体内代谢物浓度。通过整合分析。一方面可以结合两个组学的分析结果，进行相互验证，提高后续实验验证成功率；另一方面也有助于相互补充，并且使研究更加系统。

实现对生物变化大趋势与方向的综合了解，提出分子生物学变化机制模型，并筛选出重点代谢通路相关的蛋白质或者代谢产物，从而为后续进行深入实验与分析提供数据基础。

研究方案

材料：选择20头泌乳中期奶牛，连续8周添加20 g m/d的RPM，

方法：宏基因组测序+非靶代谢组检测

研究背景

鸡胸肉含有不饱和脂肪酸和较低的脂肪、钠和胆固醇，是大家最喜欢肉类之一。近年来，随着人们对食品营养价值和自身健康的重视，研究者们开始致力于如何提高肉类质量的研究，而生长时期是影响鸡肉质量的重要因素，但不同时期哪些特定代谢物积累是影响鸡肉品质的关键还不清楚。本研究使用代谢组和转录组技术，确定了特定代谢物积累的关键基因，有助于了解肉类质量发展下的生物过程，并探索特定代谢物积累的有价值的生物标志物。

技术路线

主要研究结论

随着日龄的增长，十五烷酸、硬脂酸、肌酸、肌肽、IMP、L-组氨酸和赖亮氨酸呈上升趋势，而鹅氨酸、DHA、天冬氨酸、LPA 18:1和 LPI 18:1随着日龄的增长而下降。

鸡胸肉代谢受日龄影响的主要途径是果糖和甘露糖代谢、花生四烯酸代谢、甾体激素生物合成、核黄素代谢、不饱和脂肪酸生物合成和亚油酸代谢。

代谢组和转录组的整合分析揭示了影响化学成分和代谢途径的潜在功能基因，例如DGAT2、CYP2D6、APOV1、PLTP、PNMT。这些结果将有助于了解肉质发展的生物学过程，并探索特定代谢物积累中有价值的生物标志物。

多组学关联分析文献案例案例二

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

微生物和转录组联合分析解析鲤鱼肠道菌群与转录组水平的相互作用

研究方案

材料：黄河鲤新品系（中国水产科学院淡水渔业研究中心）和传统黄河鲤，水池中单独喂养。

方法：转录组＋16s微生物多样性

研究背景

近年来，肠道微生物对宿主生产性能的影响受到广泛关注。宿主的生产性能可以通过调节肠道微生物结构来调节，而肠道微生物结构又主要受遗传和饲料的影响，肠道微生物也能影响宿主的基因表达和甲基化水平。研究发现约10%的宿主转录组受微生物调节，主要包括免疫、细胞增殖和代谢功能相关基因。肠道微生物与宿主基因表达之间的相互作用机制会影响饮食行为、消化过程、免疫功能和其他生理现象。一天中微生物的活动会改变宿主的生物节律、表观遗传学和代谢产物。当微生物群落内稳态的节律被破坏时，宿主的正常染色质和基因表达水平将发生变化，肠-肝轴基因表达的新机制将被激活，这种相互作用主要通过脑和肝的远程控制模式实现。因此，作者运用转录组和微生物多样性联合分析来解析新黄河鲤品种的肠道微生物群通过调节肠道基因表达影响其生长性能的方式，以此为黄河鲤新品种的选育提供参考。

技术路线

不同品种鲤鱼肠道转录组与肠道微生物多样性研究思路导图

主要研究结果

肠道细菌群落结构与生长性能的关系：测量了黄河鲤新品四个生长性能参数（体重、长度、宽度和深度）。对照组的所有参数均比对照组显著提高：重量14.58%，深度7.14%，宽度5.04%，长度5.07%。为了评估黄河鲤新品种的生长性能是否与其肠道菌群有关，将实验组和对照组在相似的生长环境中进行培养，并探讨其肠道细菌群落结构的差异。多样性分析结果显示实验组的平均OTU丰富度（322.80±67.87）高于对照组（303.00±53.00）。实验组和对照组共鉴定出94个共有的细菌类群。PCA 分析和系统发育树将所有样本分为两部分，表明实验组和对照组是可明显区分的。在属水平上对细菌组成（相对丰度）进行分析，结果表明气单胞菌（Aeromonas）是对照组的优势类群，其次是厚壁菌（Firmicutes）和玫瑰单胞菌（Roseomonas），而实验组中，玫瑰单胞菌（Roseomonas）是优势类群，其次是厚壁菌（Firmicutes），然后是气单胞菌（Aeromonas）。结果表明这两个群体的细菌群落结构是不同的，这意味着宿主（黄河鲤鱼新品种）基因组与微生物组相互作用，以选择某些微生物类群，暗示肠道菌群组成会影响鲤鱼的生长性能。

实验组和对照组之间的差异基因表达：使用与16S测序相同的样本对黄河鲤新品种（实验组）和对照组中的转录组进行测序并鉴定差异基因（DEG）。在249个显著DEGs中，194个基因表达下调，55个基因表达上调。通过GO注释，这些基因被分为以下功能类别：生物调节、细胞过程、解毒作用、发育过程、免疫系统进程等（都属于生物过程）；细胞、细胞部分、胞外区域、胞外区域部分、大分子复合物等（细胞成分）；抗氧化活性、结合活性、催化活性、分子功能调节器上等（分子功能）。聚类分析表明，实验组和对照组具有不同的特征，DEG分为四个部分，大部分基因注释到了免疫相关途径。

与肠道细菌群落组成相关的差异表达基因：Pearson相关性用于推断微生物属级群落组成与DEGs之间的关系，共探索了2892对，包括245个基因和256个属。筛选出来细菌群落具有属级关系的前10个候选基因，其中许多参与免疫反应，如H-2类组织相容性抗原、类 E-Sβ链（H2-Eb1）、类胸苷磷酸化酶（TYMP）、干扰素诱导蛋白44（IFI44）和主要组织相容性复合物I类相关基因蛋白样（MR1）等。DNA修复蛋白RAD51同源物4（Rad51d）、ETS易位变异体5、转录本变异体X2（Etv5）和着丝粒蛋白Spc24（Spc24）与细胞分化和生长性能相关，这些基因可能在黄河鲤鱼新品种生长性能中发挥关键作用。总而言之，肠道细菌可以影响肠道中的基因表达，其中优势种或细菌结构可能反映宿主黄鲤鱼新品种的遗传特征。肠道的细菌-基因表达谱有助于宿主肠道的健康和性能，通过与基因频率配对确定前10个属为：Bordetella,Lutispora,Methylocystis,Ohtaekwangia,Roseomonas,Shewanella,GpVI,Desulfovibrio,Candidatus_Berkiella and Azorhizobium，其中，Methylocystis数量最多，在甲烷循环中起作用。该研究提出了肠道细菌群落与基因表达相互作用的证据，共探索了2892对（属级基因和细菌），包括245个基因256个属。作者发现大多数基因涉及免疫学、细菌群落和细胞分化，其中大多数位于免疫相关信号通路中。该研究表明黄河鲤新品种生长性能的改善可能与其免疫反应的改善及其在肠道细菌结构中的相互作用有关。

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