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Illumina를 이용한16S rRNA 기반 미생물생태분석에서 분변의 동결건조에 의한 인공적인 시퀀스 생성 감소효과
Freeze-drying feces reduces illumina-derived artefacts on 16S rRNA-based microbial community analysis 원문보기

Journal of applied biological chemistry, v.59 no.4, 2016년, pp.299 - 304  

김정만 (Faculty of Biotechnology, College of Applied Life Science, SARI, Jeju National University) ,  운노타쯔야 (Faculty of Biotechnology, College of Applied Life Science, SARI, Jeju National University)

초록
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PCR 산물을 이용한 시퀀싱방법 중 Illumina 플랫폼으로 시퀀싱을 수행하면 100개 이상의 인위적인 시퀀스가 생겨나며, 그러한 인위적으로 형성되는 시퀀스에 의해 Operational taxonomic units를 기반으로 한 미생물생태 변화 및 네트워크 분석에 영향을 미친다. 이러한 문제점이 있음에도 불구하고 분변미생물생태를 분석하는데 Illumina에서 제공하고 있는 시퀀싱을 주된 방법으로 사용하고 있으며, 또한 그러한 시퀀스 기반의 분변미생물 생태분석 결과는 분변샘플상태(i.e., 분변 보관 기간, 분변양, 분변의 신선도)에 따라 상이하게 나타난다. 본 연구에서는 분변샘플의 동결건조가 시퀀스 데이터의 퀄리티를 향상시키는지 관해 조사하였으며, 이를 통해 분변샘플에 동결건조처리는 전체적인 미생물생태구조를 변화시키지는 않지만 인위적으로 형성되었을 가능성이 있는 시퀀스의 수를 감소시키는 것으로 확인되었다. 따라서, 분변으로부터 DNA를 추출하기 이전에 동결건조처리하는 방법을 Illumina 기반의 분변미생물생태분석에 사용하는 것을 권장한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

When used for amplicon sequencing, Illumina platforms produce more than hundreds of sequence artefacts, which affects operational taxonomic units based analyses such as differential abundance and network analyses. Nevertheless it has become a major tool for fecal microbial community analysis. In add...

주제어

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문제 정의

  • 이와 같이 분변샘플의 동결건조가 미생물 검출한계를 향상시켜준다는 연구결과가 보고 되었으나 분변미생물생태를 분석하는데 일반적으로 적용되고 있지 않다. 따라서, 본 연구에서는 분변샘플의 동결건조가 MiSeq 기반 미생물생태분석 결과에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 조사하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MiSeq가 pyrosequencing을 대체하고 있는 이유는 무엇인가? Pyrosequencing은 Roche에서 이미 서비스가 중단 될 것이라고 알려졌음에도 불구하고 미생물생태분석을 위해 가장 많이 사용 되고 있다. 하지만, Illumina사에서 제공하고 있는 MiSeq은 시간이 지남에 따라 가격 대비 효율적인 측면에서 우수해지고 있기 때문에 pyrosequencing을 대체하고 있다(Loman et al. 2012).
MiSeq를 이용한 실험에서 분변미생물생태분석에 영향을 미치는 요소들은 어떠한 것들이 있는가? 예를 들어, Liu (Li et al. 2007) 연구팀은 분변샘플의 균질화과정은 분변미생물생태 간 편차를 감소시킬 수 있는 요소라고 보고하였으며, 그와 더불어 DNA extraction method (Kennedy et al. 2014b), PCR template concentration (Kennedy et al. 2014a), PCR cycle condition (Ahn et al. 2012) 또한 분변미생물생태분석 결과에 영향을 미칠 수 있다고 보고 되었다. 이전 선행연구에서는 DNA 추출과정에 bead-beating (Salonen et al.
Illumina 시퀀싱 플랫폼은 어떠한 문제점이 있는가? 2012). Illumina 시퀀싱 플랫폼은 PCR 산물을 이용하여 시퀀싱이 진행되기 때문에 상당히 많은 양의 인위적인 시퀀스가 형성(Caporaso et al. 2011)이 될 뿐만 아니라 indel 및 substitution에 의해 오류를 야기시키는 문제점을 갖고 있으며(Dohm et al. 2008; Hoffmann et al. 2009; Kircher et al. 2009; Zhan et al. 2014), 또한 reverse reads가 forward reads보다 낮은 quality score를 갖고 있는 경향이 있다(Kwon et al. 2013).
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참고문헌 (22)

  1. Ahn JH, Kim BY, Song J, Weon HY (2012) Effects of PCR cycle number and DNA polymerase type on the 16S rRNA gene pyrosequencing analysis of bacterial communities J Microbiol 50:1071-1074 doi:10.1007/s12275-012-2642-z 

  2. Caporaso JG, Lauber CL, Walters WA, Berg-Lyons D, Lozupone CA, Turnbaugh PJ, Fierer N, Knight R (2011) Global patterns of 16S rRNA diversity at a depth of millions of sequences per sample Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108 Suppl 1:4516-4522 doi:10.1073/pnas.1000080107 

  3. Cole JR, Wang Q, Cardenas E, Fish J, Chai B, Farris RJ, Kulam-Syed-Mohideen AS, McGarrell DM, Marsh T, Garrity GM, Tiedje JM (2009) The Ribosomal Database Project: improved alignments and new tools for rRNA analysis Nucleic Acids Res 37:D141-145 doi:10.1093/nar/gkn879 

  4. Dohm JC, Lottaz C, Borodina T, Himmelbauer H (2008) Substantial biases in ultra-short read data sets from high-throughput DNA sequencing Nucleic Acids Res 36:e105 doi:10.1093/nar/gkn425 

  5. Edgar RC, Haas BJ, Clemente JC, Quince C, Knight R (2011) UCHIME improves sensitivity and speed of chimera detection Bioinformatics 27:2194-2200 doi:10.1093/bioinformatics/btr381 

  6. Hoffmann S, Otto C, Kurtz S, Sharma CM, Khaitovich P, Vogel J, Stadler PF, Hackermuller J (2009) Fast mapping of short sequences with mismatches, insertions and deletions using index structures PLoS Comput Biol 5:e1000502 doi:10.1371/journal.pcbi.1000502 

  7. Kennedy K, Hall MW, Lynch MD, Moreno-Hagelsieb G, Neufeld JD (2014a) Evaluating bias of illumina-based bacterial 16S rRNA gene profiles Appl Environ Microbiol 80:5717-5722 doi:10.1128/AEM.01451?14 

  8. Kennedy NA, Walker AW, Berry SH, Duncan SH, Farquarson FM, Louis P, Thomson JM, Satsangi J, Flint HJ, Parkhill J, Lees CW, Hold GL (2014b) The impact of different DNA extraction kits and laboratories upon the assessment of human gut microbiota composition by 16S rRNA gene sequencing PLoS One 9:e88982 doi:10.1371/journal.pone.0088982 

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  17. Salonen A, Nikkila J, Jalanka-Tuovinen J, Immonen O, Rajilic-Stojanovic M, Kekkonen RA, Palva A, de Vos WM (2010) Comparative analysis of fecal DNA extraction methods with phylogenetic microarray: effective recovery of bacterial and archaeal DNA using mechanical cell lysis J Microbiol Methods 81:127-134 doi:10.1016/j.mimet.2010.02.007 

  18. Schirmer M, Ijaz UZ, D'Amore R, Hall N, Sloan WT, Quince C (2015) Insight into biases and sequencing errors for amplicon sequencing with the Illumina MiSeq platform Nucleic Acids Res 43:e37 doi:10.1093/nar/gku1341 

  19. Schloss PD, Westcott SL, Ryabin T, Hall JR, Hartmann M, Hollister EB, Lesniewski RA, Oakley BB, Parks DH, Robinson CJ, Sahl JW, Stres B, Thallinger GG, Van Horn DJ, Weber CF (2009) Introducing mothur: open-source, platform-independent, community-supported software for describing and comparing microbial communities Appl Environ Microbiol 75:7537-7541 doi:10.1128/AEM.01541-09 

  20. Unno T (2015) Bioinformatic Suggestions on MiSeq-Based Microbial Community Analysis J Microbiol Biotechnol 25:765-770 

  21. Zhan A, Xiong W, He S, Macisaac HJ (2014) Influence of artifact removal on rare species recovery in natural complex communities using highthroughput sequencing PLoS One 9:e96928 doi:10.1371/journal.pone.0096928 

  22. Zhang J, Kobert K, Flouri T, Stamatakis A (2014) PEAR: a fast and accurate Illumina Paired-End reAd mergeR Bioinformatics 30:614-620 doi:10.1093/bioinformatics/btt593 

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