解开人类宏基因组奥秘的统计学突破

今天，在西雅图举行的2015年联合统计会议（JSM 2015）上，统计学家和生物群落研究专家Katherine Pollard指出，统计学领域取得的许多进展，正在帮助我们解开人类微生物组（生活在人体表面和人体内的大量微生物）的奥秘。

Gladstone研究所高级研究员、加州大学旧金山分校流行病学和生物统计学教授Pollard，在一次关于统计学、微生物组和人类健康的邀请会议上，做了题为“Estimating Taxonomic and Functional Diversity in Shotgun Metagenomes”的报告。

Pollard指出：“我们才刚刚开始了解微生物在人类生物学中发挥的复杂作用，很显然，微生物菌群的变化跟宿主的疾病有关，有时候会引发或治疗疾病。一些最好的证据与自身免疫性疾病相关，这类疾病在美国呈上升趋势，也许是由于抗生素的使用，也可能是由于在童年期间缺乏接触不同的微生物。‘卫生假说’认为，健康风险不能归因于人类遗传学和行为，可能来自于个人之间的微生物组成差异。”

更重要的是，一种给定的微生物物种，当存在于两个人体内时，可能分享的相同基因还不到50%。这些差异与微生物群落的功能能力有关，包括糖代谢、生物合成和双组分系统相关的基因。两个人虽然在他们肠道中具有相同的细菌物种，却可能与这些细菌之间发生非常不同的相互作用，因为不同的菌株不总是做同样的事情。”

因为这个原因，非常重要的是，我们不仅要确定一个给定样品中存在的微生物类型，而且要确定每个菌株的遗传构成。然而，这提出了一个相当大的数据挑战，要求精确分析宏基因组数据的统计分析方法和软件有所突破。Pollard说：“对人体中微生物总DNA样本的宏基因组测序的发展，已经使我们能够估计特定微生物和微生物基因的丰度。但是，正如任何新技术一样，宏基因组学有很多偏差和错误，在我们精确比较样本数据之前必须进行解析纠正。这限制了我们对于‘在许多环境中微生物变异的范围和影响’的认识，最重要的是人类肠道微生物组。”

宏基因组学带来了许多分析上的挑战，从DNA序列读数错误，到解码这一序列来自于数百种微生物中的哪一种。一个最大的问题在于，一个给定的人，其体内的微生物菌株，从未被测序。据估计，即使在研究充分的人类肠道微生物组中，平均而言，43%的物种丰度不能通过可用的微生物参考分析方法而捕获。

为了解决这个问题和其他微生物的研究问题，Pollard和生物信息学研究生Stephen Nayfach，开发了一套新的统计软件，可快速、准确地估计宏基因组中微生物的存在和作用。他们的程序――称为MicrobeCensus、ShotMAP和PhyloCNV，取得了重大的方法改进，使科学家可以使用短至50个bp的测序读长，来准确地量化人类微生物组中的特定菌株。

使用这些新的工具，Pollard的实验室研究发现，与瘦人相比，肥胖的人有较低的细菌比例（从门杆菌细菌到门厚壁菌）。虽然科学文献和一般媒体已经表明这种关联值得注意，但是有几则报道对其存在提出了质疑。

为了检测这种关联的有效性，Pollard的研究小组，对于体重指数（BMI）和肠道微生物的分类组成之间的关系，进行了广泛的评估。他们对来自多项研究的数据进行了荟萃分析，并没有发现BMI和任何细菌种类的相对丰度之间有密切的联系。

她说，这些新的统计学进展，将使科学家能够进行其他形式的微生物组学研究，例如识别某些微生物物种和基因，它们是疾病发作的生物标志物，或开发靶定微生物组的药物。

她总结道：“显然，微生物在宿主生物学中起到了重要作用，但是这种作用是复杂的，分析的同时必须考虑饮食、药物和宿主基因这些因素。”

（转化医学网360zhyx.com）