肠道微生物近年来已成为国内外科学研究的热点,肠道微生物与疾病之间相关性的研究,已经并将会持续改变人类对健康饮食和疾病治疗的认识。基于高通量测序技术的宏基因组学目前已经成为研究肠道微生物的重要方法,其测序方法包括研究肠道微生物的群落结构的16SrRNA扩增子测序和同时研究肠道微生物群落结构和功能基因的Shotgun测序。而在宏基因组学研究肠道微生物的实验设计上,包括直接以测序数据为新理论来源的Top-down法宏基因组学实验设计和以已有微生物知识分析为基础提出新理论而以测序数据为验证的Bottom-up法宏基因组学实验设计。这两种实验设计各有利弊,本论文将此两种实验设计应用在不同的疾病与肠道微生物相关性的研究中,并在此基础上,进一步对宏基因组学测序建库方法和生物信息学分析方法进行了创新,以使宏基因组学能够发挥更大优势。本文主要研究内容与结论总结如下:1、利用Top-down法宏基因组学分析了赭曲霉毒素A(OTA)亚慢性毒性大鼠模型中肠道微生物起到的作用。16SrRNA扩增子测序结果表明OTA导致了肠道微生物群落组成及多样性的显著变化,其中大部分肠道微生物菌种的丰度显著减少,而乳酸杆菌的相对丰度却显著增加;Shotgun测序结果表明肠道微生物功能基因发生了显著的变化,其中对微生物细胞DNA损伤修复、碳水化合物转运等方面的影响可能是OTA对微生物毒性的机制。肠道中的乳酸杆菌对OTA处理表现出了较高的抗性,本研究从高剂量OTA处理后大鼠粪便中分离出来的植物乳杆菌菌株,对OTA具有显著的脱毒作用。2、Bottom-up法宏基因组学分析了婴儿病理性黄疸与肠道微生物组成具有显著的相关性。通过对已有文献和数据库的分析,本研究提出肠道微生物中可以表达β-葡糖醛酸酶的菌株丰度可能与黄疸发病呈正相关,而某些可以代谢胆红素的微生物可能与黄疸发病呈负相关的假设。通过比较黄疸婴儿与健康婴儿肠道微生物扩增子测序结果,验证了此理论的可靠性。相关菌株的比例作为黄疸的诊断指标,其受试者工作特征(ROC)曲线的曲线下面积(AUC)可以达到0.951。3、建立了死活菌区分性高通量测序建库方法,从而实现对肠道微生物细菌活力的分析。死活菌区分性高通量测序通过加入叠氮溴化丙锭染料以区分死菌与活菌,建库时同时建立全菌库和活菌库,在建库过程中加入人工合成的16SrRNA作为内参从而实现两个库的测序数据的定量比较分析。本研究利用死活菌区分的高通量测序方法研究了小儿肠炎病人的肠道微生物,结果表明死活菌区分的宏基因组学可以更有效的揭示具有活性的病原菌,从而实现精准诊断。4、建立了基于大数据思想的肠道微生物与疾病数据库及新型宏基因组学生物分析方法。通过对2000多篇肠道微生物与疾病相关性文献的汇总、分类、阅读与信息提取,将数据存储在肠道微生物与疾病数据库中。通过构建相关性可信度模型(RSR模型),计算每种肠道细菌、细菌代谢物和每种疾病的相关性指数,得到每种疾病的肠道微生物相关性图谱,并存储在肠道微生物与疾病数据库中。开发了基于疾病与肠道微生物相关性图谱的富集分析计算模型,可以将16SrRNA扩增子测序数据结果中的差异菌群与宿主生理过程及疾病的进行关联分析。