复旦大学上海生命科学院（复旦大学类脑研究院构建全球微生物基因目录）

复旦大学上海生命科学院（复旦大学类脑研究院构建全球微生物基因目录）　　研究者们进一步研究了宏基因组中单基因簇的频率，发现大多数单基因簇是出现频率低于0.1%的罕见基因。单基因簇的频率服从中性（或接近中性）进化假设下的幂律分布（power law）。事实上，虽然观察到很多变异，但大多数变异并不是对环境的适应，而是由所谓的“中性进化”驱动：变异只是随机的结果，而不是达尔文选择。这些发现对于理解抗生素抗性的产生，以及未来抗菌药物的研发具有重要的意义。　　该研究揭示微生物基因与栖息环境的重要关联。研究发现，大多数基因都是栖息环境特异性的，这与微生物倾向于适应环境的特性是一致的；只有5.8%物种水平的单基因簇是多栖息环境基因，多栖息环境基因主要富集在抗生素耐药性基因和移动遗传原件。　　北京时间2021年12月16日凌晨，相关研究成果《原核生物基因的生物地理学研究》（“Towards the biogeography of prokaryotic genes”）以长

图说：从1.3万个宏基因组样本和近10万个细菌基因组中构建的包含3亿个原核生物基因的全球微生物基因目录 采访对象供图

　　新民晚报讯（记者 张炯强）微生物在地球中无处不在，隐藏在人们的皮肤、肠道以及土壤、河流、海洋等环境，构成一个个复杂的微生物组（microbiome）群落。它们在不同环境下与不同宿主共生互动，成为影响人类健康、疾病发展、地球生态变化的重要因素。传统微生物组研究按照人类微生物、海洋微生物等不同栖息地分别进行研究，无法在全球视野下描述不同栖息环境中微生物群落的相互关联。

　　复旦大学类脑研究院青年研究员路易斯·佩德罗·科埃略（Luis Pedro Coelho）、教授赵兴明、名誉教授皮尔·伯克（Peer Bork）与来自德国、西班牙、美国、英国等多国科学家合作研究，基于全球微生物组（global microbiome)的概念，将地球上不同栖息地的微生物作为统一系统，运用人工智能技术对1.3万个公开宏基因组样本进行挖掘，构建了迄今为止最全面的全球微生物基因目录（GMGC，Global Microbial Gene Catalog），为全球微生物组研究迈出了重要一步。

　　该研究同时发现，大多数基因具有栖息地特异性，跨越多栖息地的基因主要富集在抗生素耐药性基因和移动遗传元件。

　　北京时间2021年12月16日凌晨，相关研究成果《原核生物基因的生物地理学研究》（“Towards the biogeography of prokaryotic genes”）以长文（Article）形式发表于《自然》（Nature）主刊。

　　据介绍，基因目录对于描述微生物群落的物种组成和功能特性具有重要意义。自2010年欧洲分子生物学实验室（EMBL）和华大基因构建首个人类肠道微生物基因目录以来，新兴的微生物基因目录为研究人类生理学和疾病提供了重要线索。

　　全球微生物基因目录（GMGC，Global Microbial Gene Catalog）涵盖了肠道、口腔、皮肤、海洋、土壤等 14 个微生物的主要栖息地，收集了 13174 个公开可用的高质量宏基因组和84029个高质量的基因组，得到了包含3.03亿个物种级的基因（95%的核酸一致性聚类），构建了迄今为止最全面的全球微生物基因目录，将为地球生态研究和人类健康研究提供重要贡献。

　　该研究揭示微生物基因与栖息环境的重要关联。研究发现，大多数基因都是栖息环境特异性的，这与微生物倾向于适应环境的特性是一致的；只有5.8%物种水平的单基因簇是多栖息环境基因，多栖息环境基因主要富集在抗生素耐药性基因和移动遗传原件。

　　研究者们进一步研究了宏基因组中单基因簇的频率，发现大多数单基因簇是出现频率低于0.1%的罕见基因。单基因簇的频率服从中性（或接近中性）进化假设下的幂律分布（power law）。事实上，虽然观察到很多变异，但大多数变异并不是对环境的适应，而是由所谓的“中性进化”驱动：变异只是随机的结果，而不是达尔文选择。这些发现对于理解抗生素抗性的产生，以及未来抗菌药物的研发具有重要的意义。

　　作为类脑研究院生物医学人工智能团队的负责人，赵兴明教授介绍，前沿科学越来越突破学科界限，需要全域视野和全球视野。本研究构建了一个全球视域下的微生物基因目录，对于理解微生物与人类健康的关系具有重要的作用。下一步，团队还将基于所开发的基因目录，进一步与国内外科研院所和临床医疗开展合作，探究微生物包括人体肠道微生物与人类生命大健康、大脑认知和行为等方面的影响。