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，都是需要驗證和優(yōu)化的問題。另外腸道菌群的人群變異度大，可能會使腸道菌群的研究結(jié)果不穩(wěn)定，一個應(yīng)對的方案是采用大規(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、本論文首先對微生物組分析中實驗操作的影響進(jìn)行探索，并針對分析流程的穩(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
　　我們從四個角度對微生物組數(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，觀察實驗細(xì)節(jié)對微生物組學(xué)分析結(jié)

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

4、取了3個街道/鎮(zhèn)，在每個街道/鎮(zhèn)我們采用PPS方法抽取了兩個居委會/村落，并在每個居委會/村落隨機(jī)抽取了45戶家庭進(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)或社會經(jīng)濟(jì)參數(shù)。我們采用PERMANOVA法計算了各種宿主信息對腸道菌群變異的解釋度，并采用多元線性相關(guān)(MaAsLin)方法來計算各類與代謝綜合征相關(guān)的metadata和具體某些細(xì)菌分類之間的關(guān)系。
　　研究結(jié)果:
　　1.針對微生物組學(xué)數(shù)據(jù)分析方法的

5、驗證與優(yōu)化:實驗細(xì)節(jié)會對微生物組學(xué)研究結(jié)果造成顯著的影響，意味著實驗方法嚴(yán)格統(tǒng)一的大規(guī)模人群調(diào)查對于研究宿主和腸道菌群關(guān)系來說是必要的。我們進(jìn)一步開發(fā)了穩(wěn)定的聚類算法，并將重頭貪婪聚類算法進(jìn)行多線程化來解決計算速度的問題，并基于這些結(jié)果建立并公開了一個微生物組學(xué)數(shù)據(jù)分析的流程。
　　2.人群腸道菌群分析:我們在廣東省共納入了8600位志愿者，并采集了超過100項背景信息。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，布魯斯拓評分，體重，尿酸水平，靜坐時間，飲食等與腸道菌群變異的相關(guān)性也相對較大。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)研究容易受到實驗細(xì)節(jié)的影響，真實實施的流程嚴(yán)格而統(tǒng)一的大規(guī)模人群研究是闡述腸菌與