隨著時代的發展和生物科學技術的進步，新興的病毒巨集基因組學為解決這些問題提供了契機，以下是一篇關於病毒巨集基因組學探究的論文範文，供大家閱讀參考。
病毒個體微小，多數病毒直徑在100nm(20~200nm)，較大的病毒直徑300~450nm,較小僅為18~22nm,結構簡單，不能獨立複製需要依賴於宿主細胞複製繁殖，被許多生物學家認為是處於生命和非生命交叉區域的存在物。據估計目前對病毒的發掘還不到1%[1],對病毒的研究具有廣闊的前景和現實意義。病毒獨特的結構和特性給病毒的研究和鑑別帶來許多困難，主要體現在兩個方面：第一，病毒沒有專門的宿主細胞系，60%以上的病毒無法成功的進行離體培養[2]或在培養中不能表達致病性;第二，病毒基因本身變異率高，通過與宿主間的相互作用進化，增加核酸多樣性，產生新病毒，導致宿主範圍擴大、跨物種傳播[3].對細菌的研究可以通過保守的16sRNA的分析來定位分類資訊、進化關係和種群多樣性等。對於真菌有18sRNA及ITS序列。然而病毒不像細菌真菌，沒有固定保守的進化標記基因。
所以一些傳統研究方法的應用受到限制，不能完全滿足病毒研究的需要。如電鏡觀察病毒的靈敏性不高，細胞培養病毒可能觀察不到細胞病變，血清學反應中不但難以獲得高價抗體而且容易出現交叉反應導致錯誤結果，傳統PCR方法對未知序列及高變異的病毒研究難以發揮作用。加之近年來病毒流行病的頻繁發生及其可怕的傳染性，對人類及動植物的健康產生嚴重威脅，如HIV病毒、SARS病毒、禽流感病毒和在西非等地肆虐的埃博拉病毒[4]等，給人們造成了巨大的恐慌和經濟損失。因此，對病毒基因組的研究、致病源的探索、病毒在生物體和環境中如何存在及傳播、病毒病防治的研究已迫在眉睫。
隨著時代的發展和生物科學技術的進步，新興的病毒巨集基因組學為解決這些問題提供了契機，巨集基因組學(Metagenomics)的概念是1998年由Handelsman[5]首次提出，對特定環境中基因組的總和進行研究，包括培養的和未培養的微生物。病毒巨集基因組學(Viral metagenomics)就是巨集基因組學在病毒領域的應用，即從環境或生物組織中濃縮病毒粒子的遺傳物質進行生物學資訊分析的技術。它的應用需要一些交叉學科的創新技術的支援，隨機引物PCR和新一代測序技術---高通量測序的應用大大提高了研究的效率和獲取資訊的丰度，克服大環境中病毒濃度低、易受干擾的不足，拓展了病毒巨集基因組學的應用範圍和現實作用，為探索未知病毒提供廣闊的前景和應用空間。在人類預防疾病、開發疫苗方面具有重大貢獻。
1病毒巨集基因組學的研究過程
對於未知病毒的研究過程如下：SISPA方法是1991年Gregory和Jung在隨機引物PCR方法的基礎上創造的[6],SISPA-PCR使用含有已知片段的隨機引物進行逆轉錄，這個已知片段在接下來的PCR反應中將作為引物[7],此方法先後經Breitbart[8]和Djikeng[9]等人的改進，在SISPA的基礎上建立了RNase、DNase-SISPA聯用的方法，增加了樣品過濾和DNA酶RNA酶消化等步驟，去除外源汙染，發現新病毒。高通量測序(High-throughput se-quencing)也稱第二代測序技術或深度測序[10],可以對數百萬個DNA分子進行同時測序，一次可同時輸出大量資料，打破樣品型別侷限，最大限度的富集病毒核酸資訊。
樣品通過離心、過濾、核酸酶處理等步驟去除病毒粒子以外的物質和背景核酸的干擾[11],純化和富集病毒粒子，降低錯配率，減少資料量，提高下游分析速率。所以此步驟的富集效果對後來的高通量測序結果的序列數量有決定性影響。將樣品中的病毒粒子富集到106個·mL-1以上為理想狀態[12].然後進行核酸DNA和RNA的提取。
病毒基因組比真核和原核宿主短，在核酸製備過程中要儘量去除汙染，一個小的汙染可能導致長基因優先測序[13],掩蓋病毒基因，可能導致巨集基因組分類組成成分的偏差。選取幾種隨機單引物對提取的核酸進行反轉錄，用Klenow酶合成cD-NA的第二條鏈，然後用相應的引物進行PCR擴增，增加樣品中低丰度病毒的檢出率。不同的隨機擴增方法對不同的核酸型別(線型、環形、ss/dsRNA/DNA)有不同的效率[14],應用多種擴增方法和引物可以優化檢測大環境中可能的病毒核酸的靈敏度，增加覆蓋率。產物進行凝膠電泳檢測，電泳條帶呈現彌散狀，送生物公司進行高通量測序。測序結果產生大量資料，資料的篩選處理和分析是整個過程的又一關鍵步驟，如果資料分析不好，整個實驗就不能得到理想的效果，那麼海量的測序資料也就失去了意義。
病毒巨集基因組的分析流程與一般巨集基因組資料分析流程相似，包括原始資料的預處理、基因組裝、功能分類和基因預測等。但病毒序列存在高變異性。測序序列中也可能存在原病毒的序列，原病毒以溶原態存在於宿主染色體內，這將會影響病毒基因組與宿主的分離[15].
對於發現新病毒可以將單個序列和contigs在blastn的nr資料庫中比對，如果比對結果無法判斷出是何種序列，則在blastx的nr資料庫中比對，比對的E值如果大於e-5則被認為是目前無法確定的生物的基因序列。如果比對的結果小於e-5又與其最近的那一條的相似性較低，則可能是我們需要關注的目標[3].
2病毒巨集基因組學方法的優勢和侷限
2.1優勢
傳統方法只能以已知病毒為目標，難以發現新病毒，而病毒巨集基因組學方法結合新一代測序技術和隨機PCR1的病毒;研究的病毒直接從環境中獲取，不需要分離培養;可以對環境中過於分散、丰度低的病毒進行系統分析和鑑定。
2.2侷限
應用病毒巨集基因組學方法進行研究，依然存在一些問題需要進一步探索，如從大量環境中提取樣本方式，隨機擴增方法和引物的選擇能否做到無偏差覆蓋所有病毒，海量測序資料的處理，依賴樣品複雜度的生物資訊分析等。
3病毒巨集基因組學的應用
病毒巨集基因組學以其顯著的優勢在病毒研究的各個方面得到廣泛應用，如人類、動植物健康，水、環境問題、病毒領域的研究等等。改變著人們對病毒的認識，給涉及病毒的許多問題提供新的解決思路。
3.1臨床應用
2008年[16]病毒巨集基因組學在人體臨床檢查中第一次應用，結合深度測序檢測器官移植相關的致死疾病的.病原體。利用病毒巨集基因組學對人體的唾液、呼吸道、血液、排洩物的檢測分析，可以發現未知和潛在的致病病毒。
Law等[17]對一些肝病患者的血漿進行研究，發現病毒巨集基因組學方法快速準確，還能將檢測範圍擴大到其它體液。
單同領[18]根據病毒巨集基因組學的方法分析了兒童和豬腸道病毒群落，並且確定了致病原的資訊。
Zhang等[19]應用巨集基因組學在人的糞便中發現了大量的植物病毒。
Willner等[20]應用巨集基因組學分析了健康和呼吸道感染的人的呼吸道分泌物中的DNA病毒群落。
2010年[21]在沒有先驗資訊的條件下，應用病毒巨集基因組學獲得了流感病毒的全部基因。研究者還通過監測特定區域內已知傳染人、動植物病毒的昆蟲媒介攜帶的病毒[22],來檢測相關病毒的流行和預防，為突發病原體的鑑定提供方向。蝙蝠作為很多人獸共患病(例如埃博拉病毒、嚴重急性呼吸系統綜合徵(SARS)病毒和立百病毒)的自然傳播宿主，故蝙蝠體內的病毒多樣性成為學者研究的熱點。
2010年，Li等[23]和Donaldson等[24]應用病毒巨集基因組學的方法分別研究了北美蝙蝠糞便中的病毒群落。發現了大量新的哺乳動物病毒、昆蟲病毒和植物病毒，Donaldson還發現了一株新的冠狀病毒。
2013年，楊凡力等[25]應用病毒巨集基因組學的方法研究吉林、雲南、湖南採集的蝙蝠組1小雙節RNA病毒、圓環病毒等新病毒。
2000年用病毒巨集基因組學方法對埃博拉病毒進行了鑑定[26].
3.2環境問題
病毒能夠抵抗很多常規水處理系統在水中頑固存留，利用病毒巨集基因組學快速檢測水環境中的病原體，得到的巨集基因組資料可以作為排洩物汙染的指標，以此檢測水質量。
Rosario等[27]應用巨集基因組學在廢水處理廠的汙水中發現了大量的來自動植物和人的致病性病毒，從而認為汙水可能是病毒傳播的一種途徑。
3.3病毒研究
目前科學家正在發展功能病毒巨集基因組學，來發掘新病毒的功能酶[28],用於診斷和生物科學研究。利用病毒巨集基因組學可以開發不同環境中的各種病毒如海洋、溫泉、岩石層、地下和高溫環境等，為研究病毒學的分類和進化提供方法。
通過對環境病毒巨集基因組學的研究，可以瞭解環境中病毒的有機構成、進化關係，進而掌握病毒的分佈、變化動態和進化情況，追蹤一些病原體的原始自然宿主，以便及時防控和預測一些常發和新發病毒病，還可以通過改變病變環境中的微生物群落來對抗病理性群落，從而達到改善病情甚至是治療的效果[29].
4病毒巨集基因組學的研究意義
病毒巨集基因組學的應用為病毒生態學在研究遺傳潛力、病毒群落組成和結構以及環境病地理學等問題提供廣闊的前景和方向。病毒巨集基因組學還涉及了病毒和宿主之間的相互作用，病毒一些裸露在外的基因可能以某種未知的方式操控宿主，這對一些疾病的致病機理的分析、制定有效的治療方法具有重大意義。病毒巨集基因組學發現病毒的潛力能夠推動許多相關學科的發展，如進化生物學、病原體的檢測和生物技術。
病毒巨集基因組學對一定環境內的全部病毒的研究起到了里程碑式的作用，此環境可以是海洋、土壤等無機環境，也可以是各種生物體的組織等有機環境。在病毒研究領域具有劃時代意義。
5展望
隨著生物科學技術的發展，一些交叉學科創新技術的發現，能夠更加完善病毒巨集基因組學的研究體系，例如搭建更為豐富的微生物基因組資料庫，開發病毒巨集基因組學檢測領域的分析工具，將巨集基因組學與巨集轉錄組學、巨集蛋白組學等技術結合起來在組學研究的多個層面上探索微生物的多樣性等，使此項技術能夠更廣泛更準確的應用於病毒相關領域。通過對人體內微生物種群多樣性的研究來探索其與某些疾病、耐藥情況[30]的可能關係。此技術還可以用來發現新的酶物質、抗生素以及一些有用的次生代謝產物。地球上海洋麵積約佔總面積的72%,富含豐富的資源，利用巨集基因組學對海洋微生物的開發和利用具有重要意義。
期待未來的某一天能夠利用此技術攻克如HIV病毒、SARS病毒、禽流感病毒和埃博拉病毒等高傳染性、高致死率、嚴重威脅全人類生命健康的病毒病。