iMeta | 基因组所孔思远课题组、潘玮华课题组开发畜禽肠道3D宏基因组新技术GutHi-C

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心，以下简称“基因组所”）孔思远课题组、潘玮华课题组在《宏（iMeta）》上在线发表题为“Efficient and easy-to-use capturing three-dimensional metagenome interactions with GutHi-C”的研究论文，该研究开发了一种高效易用的可广泛应用于人类、畜禽等动物肠道、粪便微生物组的GutHi-C技术，一方面可以辅助宏基因组组装，为得到畜禽肠道等环境中微生物组的完整宏基因组提供了有力的工具，另一方面，为研究微生物宏基因组以及单菌水平的基因组三维互作和细菌内基因（比如抗性基因）转录调控提供了有力手段。

农业动物肠道微生物在宿主的整个生命过程中发挥着关键作用，解析肠道微生物宏基因组的组织模式对于理解微生物的功能以及微生物群体与宿主之间的关系具有重要意义。在微生物宏基因组研究中广泛使用的Shotgun（鸟枪法）技术会产生大量冗余序列，无法在种和菌株水平上进行进一步分析。Hi-C（高通量染色质构象捕获）技术在三维组织模式分析和基因组辅助组装方面具有明显优势，但由于经典Hi-C技术在微生物研究中存在局限性，且得到的数据质量差，因此，较少应用于微生物宏基因组研究。通过改良微生物细胞壁裂解方法、提高微生物基因组酶切效率，团队成功开发了可广泛应用于畜禽肠道微生物群体的GutHi-C技术。

在GutHi-C文库构建过程中，采用液氮研磨和/或溶菌酶处理的方法进行微生物裂解，可以最大限度地解离微生物细胞壁，并允许内切酶完全进入细胞核。在引入in situ Hi-C体系的同时，减少了生物素和磁珠的用量，在保证甚至提高实验数据质量的情况下降低了实验成本。基于微生物群体的共性特征，该技术可以适用于来自畜禽、人类等动物肠道、粪便的微生物群体，来自土壤的微生物群体和培养组微生物混合物等各种环境下的微生物宏基因组Hi-C建库和高通量测序。

通过与现有微生物Hi-C（国外ProxiMeta Hi-C技术内容尚未公开）数据进行对比，GutHi-C 技术产生的数据在质控参数（如唯一比对率、去重后有效数据比例、有效互作对的比例和顺式相互作用比例）方面具有显著优势，同时GutHi-C技术还表现出良好的可重复性。展示了高分辨率互作频率热图，具有更显著的信号强度和信号较强的染色体相互作用结构域（CIDs）。此外。通过将GutHi-C数据与三代HiFi宏基因组组装数据进行联合分析，可显著提升肠道微生物宏基因组（MAGs）的组装质量，使得微生物组宏基因组的高保真的全长成环完整宏基因组组装成为可能。

图1 | GutHi-C在揭示微生物组的宏基因组三维互作构象以及结合三代HiFi测序辅助完整宏基因组组装上的初步应用和评估分析

GutHi-C技术则针对微生物研究进行了优化，解决了经典Hi-C技术在微生物组应用中的局限性，为畜禽肠道微生物的宏基因组研究提供了新的工具。在农业微生物、人类医学、食品领域具有良好的应用前景。本团队GutHi-C技术已申请发明专利，并准备与企业对接进行相关试剂盒研发落地。相关技术横向科研合作或技术转让请咨询：kongsiyuan@caas.cn，或中国农业科学院深圳农业基因组研究所产业发展处（电话：0755-28398803）。

图2 | GutHi-C技术发明专利证书

图3 | 微生物组GutHi-C技术建库试剂盒

基因组所（省实验室深圳分中心）副研究员孔思远、研究员潘玮华、博士后朱秀生为论文的共同通讯作者。基因组所与河南大学联培硕士生卢宇曦、基因组所与华中农业大学联培博士生杨金宝、基因组所与青岛农业大学联培硕士生李晨莹为论文共同第一作者。该工作也得到了美国弗雷德里克国家实验室张玉波研究员、中国农业科学院北京畜牧兽医研究所杨述林研究员、王彦芳研究员的大力支持和帮助。该研究得到了广东省自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金博新计划和面上项目、深圳市优秀科技创新人才培养（博士启动）项目等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/imt2.227

参考文献：

1. Siyuan Kong, Yubo Zhang. Deciphering Hi-C: from 3D genome to function. Cell Biol Toxicol. 2019, 35(1): 15-32.

2. Yuxi Lu#, Jinbao Yang#, Chenying Li#, Yunhan Tian, Rongrong Chang, Dashuai Kong, Shulin Yang, Yanfang Wang, Yubo Zhang, Xiusheng Zhu*, Weihua Pan*, Siyuan Kong*. Efficient and easy-to-use capturing 3D metagenome interactions with GutHi-C. iMeta, 2024, e227. https://doi.org/10.1002/imt2.227.

3. Yuhui Wang#, Peiwen Gao#, Chenying Li, Yuxi Lu, Yubo Zhang*, Yu Zhou*, Siyuan Kong*. High-fidelity gut metagenome: A new insight of probiotics effects on gut microbiome. Journal of Integrative Agriculture, 2024, ISSN 2095-3119, https://doi.org/10.1016/ j.jia.2024.05.011.