Genomics, Proteomics & Bioinformatics （GPB）发表了山西医科大学严江伟课题组题为"Application of Microbiome in Forensics"的综述文章。我们的“要文译荐”栏目很高兴邀请到文章第一作者张君博士为大家介绍该综述文章的主要内容。

要点介绍

近年来，高通量测序技术和生物信息学的发展极大地拓展了微生物组在法医领域的应用范围。微生物组研究关注的是微生物群落的组成特征和多样性，以及微生物与宿主、环境之间的相互作用关系。微生物组学的发展为法医鉴定开辟了许多新的可能性，本文总结了微生物法医学的发展历程和研究进展，讨论了微生物组在法医鉴定中的各种应用，包括个体识别、地理位置推断和死后间隔推断等，展望了微生物组在法医鉴定中的应用所面临的挑战。

主要内容

微生物法医学最初主要关注生物恐怖主义相关的病原微生物。高通量测序技术极大地促进了微生物组学的发展，微生物组学在法医领域的应用也进一步扩展了微生物法医学的研究范围。

目前，用于表征微生物组特征的高通量测序技术主要有扩增子测序和鸟枪法宏基因组测序。本文总结了扩增子测序和鸟枪法宏基因组测序的数据分析流程（图1）。在扩增子测序的数据分析中，选择代表性序列主要有两种方法，一种是将序列聚类到可操作分类单元（operational taxonomic unit，OTU）的方法；另一种是基于去噪鉴定出扩增序列变异（amplicon sequence variants，ASV）的方法。随后，对代表性序列进行物种注释，可获得样本中的微生物物种组成信息。相较于扩增子测序，鸟枪法宏基因组测序可以提供功能信息和更高分辨率的物种分类信息。对宏基因组测序数据进行物种分类和功能注释分析主要有两种策略，一种是将质控后的序列与参考数据库进行比对，直接获得特征表，即基于序列的策略；另一种是基于测序片段之间的重叠区进行拼接，获得的长片段称为重叠群（contigs），然后利用组装后的重叠群与参考基因组的序列比对进行物种分类和功能注释，即基于组装的策略。

图1  扩增子测序和鸟枪法宏基因组测序的数据分析流程

该文进一步梳理了微生物组在法医领域应用的研究进展（图2）。

（1）个体识别

每个个体都携带一套独特的微生物组，因此基于微生物组可进行个体的识别。哈佛大学的一项研究表明，人体微生物组在基因层面的特征比物种分类层面的特征更为稳定，在经过30-300天后，仍能通过微生物组的基因特征对30%的参与者进行准确识别。鉴于基于16S rRNA基因的扩增子测序分辨率有限，有研究者采用基于微生物的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）和CRISPR的靶向测序来进行个体识别的研究，均取得了比基于16S rRNA基因的扩增子测序更高的准确性。另外，法医检材中的微生物组信息的时间衰减和昼夜节律也会影响基于微生物组进行个体识别的准确性。

（2）地理溯源

生态学研究表明，微生物在地理上呈现出不同的分布模式，因此，法医检材中特定地点的微生物信息可能揭示一个人最近去过的地理位置。Danko等在全球60个城市收集了4758个宏基因组样本，他们发现城市特定的微生物分类特征可以用来预测样本的地理位置，准确率为78.9%。Lax等发现一个人鞋底的微生物特征取决于其走过的地面，因此可以根据鞋底与某一地点的微生物群落的匹配程度来判断此人是否去过该地。在法医上利用微生物组进行地理溯源的主要限制在于我们尚无法在缺少比对样本的情况下推断物证的地理来源，这方面的突破有赖于更为广泛的微生物组数据库的建立和机器学习算法的支撑。

（3）死后间隔推断

人体死亡后，尸体在微生物的作用下逐渐分解，在分解过程中，微生物的数量和组成会发生规律性变化，因此可根据微生物群落演替规律进行死后间隔的推断。Metcalf等利用小鼠模型研究了尸体腹部、皮肤和土壤样本的微生物群落在48天内的演替规律，结果表明，利用皮肤微生物组特征预测小鼠死亡时间的误差仅为3天左右。后续研究又对不同的尸体暴露环境、不同的腐败时间等因素进行了探究，均能够得到较为精准的预测结果。然而，当前研究大多基于动物模型，而在法医案件中的应用仍然受到一些限制，其原因主要是缺乏足够数量的人类尸体样本作为训练集进行预测模型的构建。

（4）其它应用

微生物组在法医领域的应用还包括体液斑组织来源、沉积时间和种族等方面的推断。

图2  微生物组在法医领域的应用

挑战与展望

目前，微生物组在法医领域的应用尚处于研究阶段，距离实践应用还有很多工作要做。首先，微生物证据的提取、包装、运输和保存尚无标准化的操作原则和规范。其次，作为一种法医学工具，微生物组的特异性和稳定性有待进一步验证。另外，微生物数据的解读方法和结果需要更适用于法庭科学。总之，这些问题对微生物组在法医领域的实践应用至关重要，我们相信这些问题终会随着研究深入而得以解决。

审校人：

GPB青年编委张莉

文章编译来源：

Zhang J, Liu W, Simayijiang H, Hu P, Yan J. Application of Microbiome in Forensics. Genomics Proteomics Bioinformatics 2023;21(1):97-107.

英文全文详见：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1672022922000961

作者及资助信息：

山西医科大学的张君博士和北京市理化分析测试中心的刘文丽博士为该文第一作者，山西医科大学的严江伟教授和华中科技大学的胡平副教授为该文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金项目的支持。

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   About GPB   

Genomics, Proteomics & Bioinformatics（基因组蛋白质组与生物信息学报，简称GPB）于2003年创刊，是由中国科学院主管、中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）与中国遗传学会共同主办的英文学术期刊，由Elsevier金色开放获取（Gold Open Access）出版。刊载来自世界范围内组学、生物信息学及相关领域的优质稿件。现为中国科学引文数据库（CSCD）和中国科技论文与引文数据库（CSTPCD）核心期刊，被SCIE、PubMed/MEDLINE、Scopus等数据库收录。2023年公布的官方数据显示，CiteScore为11.7；2年和5年Impact Factor分别为9.5和10.1，分别排名WoS遗传学领域12/171和13/171；2022 JCI为2.08，排名WoS遗传学领域10/189。期刊由科技部等七部门联合实施的“中国科技期刊卓越行动计划“资助（2019–2023）。

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