微生物組數(shù)據(jù)分析方法優(yōu)化及人群腸道菌群分析應(yīng)用.pdf

1、研究背景:
　　腸道菌群的分析流程中包含了大量的環(huán)節(jié)，對(duì)最終的分析結(jié)果可以起到重要的影響，尤其是在大數(shù)據(jù)分析方面，諸如不同研究數(shù)據(jù)如何合并進(jìn)行分析，以及結(jié)果的穩(wěn)定性和運(yùn)算的速度等，都是需要驗(yàn)證和優(yōu)化的問(wèn)題。另外腸道菌群的人群變異度大，可能會(huì)使腸道菌群的研究結(jié)果不穩(wěn)定，一個(gè)應(yīng)對(duì)的方案是采用大規(guī)模流行病學(xué)采樣方法研究腸道菌群和宿主關(guān)系，從而獲得更加可靠和全面的結(jié)果，而類(lèi)似的研究在東方發(fā)展中地區(qū)還較少。
　　研究目標(biāo):
　　

2、本論文首先對(duì)微生物組分析中實(shí)驗(yàn)操作的影響進(jìn)行探索，并針對(duì)分析流程的穩(wěn)定性以及運(yùn)算速度等方面進(jìn)行優(yōu)化，并建立完整的分析流程。進(jìn)一步采用上述方法，分析廣東省慢病調(diào)查人群腸道菌群，研究腸道菌群與宿主之間的關(guān)系，并揭示其代謝綜合征特征菌譜。
　　研究方法:
　　第一章
　　我們從四個(gè)角度對(duì)微生物組數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行了研究:
　　1.我們以不同的引物擴(kuò)增，但使用同一16S rRNA基因區(qū)段為例，觀察實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)對(duì)微生物組學(xué)分析結(jié)

3、果的影響;
　　2.我們以稀釋曲線(xiàn)不穩(wěn)定為切入點(diǎn)，闡述了聚類(lèi)單元不穩(wěn)定的原因，并提出較為穩(wěn)定的聚類(lèi)方法;
　　3.我們將貪婪重頭聚類(lèi)算法進(jìn)行了多線(xiàn)程化，試圖解決微生物組學(xué)大數(shù)據(jù)分析中聚類(lèi)速度的問(wèn)題;
　　4.我們基于現(xiàn)有的一些分析方法和平臺(tái)，整合了針對(duì)微生物組數(shù)據(jù)分析的流程，并在公共平臺(tái)上公開(kāi)。
　　第二章
　　我們?cè)趶V東省采用聚類(lèi)抽樣法，選擇了14個(gè)區(qū)/縣，每個(gè)區(qū)/縣采用按規(guī)模大小成比例的方法(PPS)抽

4、取了3個(gè)街道/鎮(zhèn)，在每個(gè)街道/鎮(zhèn)我們采用PPS方法抽取了兩個(gè)居委會(huì)/村落，并在每個(gè)居委會(huì)/村落隨機(jī)抽取了45戶(hù)家庭進(jìn)行調(diào)查。我們收集了每位參與者的糞便標(biāo)本，以及其他的生理指標(biāo)或社會(huì)經(jīng)濟(jì)參數(shù)。我們采用PERMANOVA法計(jì)算了各種宿主信息對(duì)腸道菌群變異的解釋度，并采用多元線(xiàn)性相關(guān)(MaAsLin)方法來(lái)計(jì)算各類(lèi)與代謝綜合征相關(guān)的metadata和具體某些細(xì)菌分類(lèi)之間的關(guān)系。
　　研究結(jié)果:
　　1.針對(duì)微生物組學(xué)數(shù)據(jù)分析方法的

5、驗(yàn)證與優(yōu)化:實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)會(huì)對(duì)微生物組學(xué)研究結(jié)果造成顯著的影響，意味著實(shí)驗(yàn)方法嚴(yán)格統(tǒng)一的大規(guī)模人群調(diào)查對(duì)于研究宿主和腸道菌群關(guān)系來(lái)說(shuō)是必要的。我們進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了穩(wěn)定的聚類(lèi)算法，并將重頭貪婪聚類(lèi)算法進(jìn)行多線(xiàn)程化來(lái)解決計(jì)算速度的問(wèn)題，并基于這些結(jié)果建立并公開(kāi)了一個(gè)微生物組學(xué)數(shù)據(jù)分析的流程。
　　2.人群腸道菌群分析:我們?cè)趶V東省共納入了8600位志愿者，并采集了超過(guò)100項(xiàng)背景信息。我們發(fā)現(xiàn)在廣東省地區(qū)，腸道菌群與人群的背景信息普遍相關(guān)，其中

6、以地理分布的影響最大，而這種地理上的差異可能與當(dāng)?shù)厝耸雏}習(xí)慣相關(guān)。其他信息中如年齡，布魯斯拓評(píng)分，體重，尿酸水平，靜坐時(shí)間，飲食等與腸道菌群變異的相關(guān)性也相對(duì)較大。在疾病信息中，代謝綜合征與腸道菌群的變異相關(guān)性最高，其具體的疾病譜特征與發(fā)達(dá)地區(qū)較為相似，但發(fā)展中地區(qū)的變形菌門(mén)細(xì)菌顯著較高，且和經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈負(fù)相關(guān)。
　　結(jié)論:
　　1.由于微生物組學(xué)研究容易受到實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的影響，真實(shí)實(shí)施的流程嚴(yán)格而統(tǒng)一的大規(guī)模人群研究是闡述腸菌與