DOI: https://doi.org/10.1186/s12967-024-04917-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38282030
تاريخ النشر: 2024-01-28
المؤلف: Chan Kyung Kim وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الجينوميات والتطور
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التقدم في أبحاث المجتمع الميكروبي، مع تسليط الضوء بشكل خاص على الانتقال من تسلسل 16S rRNA وميتاجينوميات الشوتغن إلى تسلسل القراءة الطويلة (LRS). توفر LRS، التي تسهلها بشكل أساسي تقنيات من Pacific Biotechnologies (PacBio) وOxford Nanopore Technologies (ONT)، مزايا كبيرة مقارنة بتسلسل القراءة القصيرة (SRS) من خلال إنتاج قراءات أطول تعزز من اكتمال الجينوم، وتوصيف التباين الهيكلي، والدراسات الجينية. تستعرض المراجعة سير العمل الشامل لميتاجينوميات القراءة الطويلة، بما في ذلك إعداد العينات، والتسلسل، والمعالجة، والتحليل، بينما تقدم أيضًا أدوات متنوعة متوافقة مع منهجيات LRS.
في الختام، يتم وضع كل من منصات ONT وPacBio لتعزيز تصنيف الميكروبات بشكل كبير من خلال تمكين التقاط الأنواع ذات الوفرة المنخفضة وتحسين تحديد الأنواع. من المتوقع أن تحول التقدم المستمر في هذه التقنيات فهمنا للمجتمعات الميكروبية المعقدة وأدوارها الوظيفية عبر بيئات متنوعة، مما يساهم بشكل كبير في مجالات الميتاجينوميات والبحث الجيني.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التقدم الكبير في التكنولوجيا الذي مكّن الباحثين من استكشاف الميكروبيوم البشري، الذي يتكون من تقديرات تتراوح بين 10-100 تريليون ميكروب. تم ربط اختلال التوازن الميكروبي، أو عدم التوازن في هذه المجتمعات الميكروبية، بمختلف الاضطرابات الصحية، بما في ذلك السمنة، والسكري، والأمراض المناعية الذاتية، والحالات العصبية، والسرطانات. لقد حفز هذا الفهم ظهور الميتاجينوميات، وهو مجال مخصص لتحليل المادة الجينية الميكروبية في بيئتها الطبيعية، مما يسهل الرؤى حول التصنيف والفيزيولوجيا الميكروبية.
تقدم الميتاجينوميات مجموعة من التطبيقات، مثل تقييم وفرة الميكروبات، والتصنيف الضريبي، والتحليل الوظيفي، والتي تعتبر ضرورية لتطوير استراتيجيات علاجية مستهدفة. على سبيل المثال، يمكن أن تحدد التحليلات الميتاجينومية التحولات الميكروبية استجابة للعلاجات لمرض التهاب الأمعاء، وتحديد التوقيعات الميكروبية ذات الصلة بالسكري من النوع 2، وتوضيح دور الميكروبيوم في وظيفة المناعة ومحور الأمعاء والدماغ، مما يوجه التدخلات لعلاج الاضطرابات المناعية الذاتية والعصبية. تشمل عملية الميتاجينوميات أربع خطوات رئيسية: إعداد العينات، والتسلسل، والمعالجة، وتحليل المعلومات الحيوية، مع طرق التسلسل الشائعة بما في ذلك تسلسل 16S rRNA وميتاجينوميات الشوتغن. يتم أيضًا استخدام علامات بديلة، مثل جين 18S rRNA وجينات ترميز البروتين الأخرى، في هذا المجال البحثي.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على التقدم والتحديات المرتبطة بتقنيات تسلسل القراءة الطويلة (LRS)، مع التركيز بشكل أساسي على المنصات التي طورتها Pacific Biosciences (PacBio) وOxford Nanopore Technologies (ONT). تقدم LRS، المصنفة كتسلسل من الجيل الثالث، مزايا كبيرة مقارنة بأساليب تسلسل القراءة القصيرة (SRS)، لا سيما في تجميع الجينوم واكتشاف المتغيرات. تسهل أطوال القراءة الأطول لـ LRS، التي يمكن أن تتجاوز 100 كيلو قاعدة، تجميع الجينومات المعقدة وتحسين اكتشاف التباينات الهيكلية والتعديلات الجينية. لقد عالجت التحسينات الأخيرة في الدقة، مثل تحقيق تسلسل الإجماع الدائري من PacBio دقة 99.8% ووصول خلايا التدفق الجديدة من ONT إلى 99.5%، الانتقادات السابقة المتعلقة بمعدلات الخطأ، على الرغم من أن LRS لا تزال أكثر تكلفة من SRS بسبب تقنيتها المعقدة.
تناقش هذه القسم أيضًا أهمية إعداد العينات وإعداد المكتبات في LRS، مع التأكيد على الحاجة إلى DNA عالي الجودة ومرتفع الوزن الجزيئي لضمان أداء تسلسل مثالي. يتم التوصية ببروتوكولات ومجموعات محددة لمنع تمزق DNA والتلوث، مما يمكن أن يؤثر سلبًا على أطوال القراءة وجودتها. يتم وصف آليات التسلسل لكل من ONT وPacBio، مع توضيح أساليبها الفريدة في إنتاج القراءات الطويلة. تستخدم ONT تقنية المسام النانوية، بينما تستخدم PacBio تسلسل الوقت الحقيقي لجزيء واحد (SMRT)، كل منهما له مزايا وقيود مميزة. بشكل عام، تُظهر التقدمات في تقنيات LRS، لا سيما مع إدخال منصة PacBio Revio، مسارًا واعدًا للبحث الجيني، على الرغم من التحديات المستمرة المتعلقة بالتكلفة وتعقيدات التجميع في الميتاجينوميات.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12967-024-04917-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38282030
Publication Date: 2024-01-28
Author(s): Chan Kyung Kim et al.
Primary Topic: Genomics and Phylogenetic Studies
Overview
The section provides an overview of the advancements in microbial community research, particularly highlighting the transition from 16S rRNA sequencing and shotgun metagenomics to long-read sequencing (LRS). LRS, primarily facilitated by technologies from Pacific Biotechnologies (PacBio) and Oxford Nanopore Technologies (ONT), offers significant advantages over short-read sequencing (SRS) by producing longer reads that enhance genomic completeness, structural variation characterization, and epigenetic studies. The review details the comprehensive workflow of long-read metagenomics, encompassing sample preparation, sequencing, processing, and analysis, while also introducing various tools compatible with LRS methodologies.
In conclusion, both ONT and PacBio platforms are positioned to significantly enhance microbial profiling by enabling the capture of low abundance taxa and improving species identification. The ongoing advancements in these technologies are expected to transform our understanding of complex microbial communities and their functional roles across diverse environments, thereby making substantial contributions to the fields of metagenomics and genomic research.
Introduction
The introduction highlights the significant advancements in technology that have enabled researchers to explore the human microbiome, which comprises an estimated 10-100 trillion microbes. Dysbiosis, or an imbalance in these microbial populations, has been linked to various health disorders, including obesity, diabetes, autoimmune diseases, neurological conditions, and cancers. This understanding has catalyzed the emergence of metagenomics, a field dedicated to analyzing microbial genetic material in its natural environment, facilitating insights into microbial taxonomy and physiology.
Metagenomics offers a range of applications, such as assessing microbial abundance, taxonomic profiling, and functional analysis, which are crucial for developing targeted therapeutic strategies. For instance, metagenomic analyses can identify microbial shifts in response to treatments for inflammatory bowel disease, pinpoint microbial signatures relevant to type 2 diabetes, and elucidate the microbiome’s role in immune function and the gut-brain axis, thereby informing interventions for autoimmune and neurological disorders. The metagenomic process encompasses four key steps: sample preparation, sequencing, processing, and bioinformatics analysis, with common sequencing methods including 16S rRNA and shotgun metagenomic sequencing. Alternative markers, such as the 18S rRNA gene and other protein-coding genes, are also utilized in this research domain.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the advancements and challenges associated with long-read sequencing (LRS) technologies, primarily focusing on platforms developed by Pacific Biosciences (PacBio) and Oxford Nanopore Technologies (ONT). LRS, classified as third-generation sequencing, offers significant advantages over short-read sequencing (SRS) methods, particularly in genome assembly and variant detection. The longer read lengths of LRS, which can exceed 100 kilobases, facilitate the assembly of complex genomes and improve the detection of structural variations and epigenetic modifications. Recent improvements in accuracy, such as PacBio’s circular consensus sequencing achieving 99.8% accuracy and ONT’s new flow cells reaching 99.5%, have addressed previous criticisms regarding error rates, although LRS remains more costly than SRS due to its intricate technology.
The section also discusses the importance of sample preparation and library preparation in LRS, emphasizing the need for high-quality, high-molecular-weight DNA to ensure optimal sequencing performance. Specific protocols and kits are recommended to prevent DNA shearing and contamination, which can adversely affect read lengths and quality. The sequencing mechanisms of both ONT and PacBio are described, detailing their unique approaches to generating long reads. ONT utilizes nanopore technology, while PacBio employs single-molecule real-time (SMRT) sequencing, each with distinct advantages and limitations. Overall, the advancements in LRS technologies, particularly with the introduction of PacBio’s Revio platform, demonstrate a promising trajectory for genomic research, despite the ongoing challenges related to cost and assembly complexities in metagenomics.