微生物遍布整個(gè)世界，從人體腸道到遙遠(yuǎn)的深海，從肥沃的土壤到空氣中的微粒。它們以群落的形式存在，每個(gè)群落中的成員可能多達(dá)數(shù)百種。雖然宏基因組學(xué)可以通過(guò)分析微生物群落的全部基因揭示特定群落的功能潛力，但直接檢測(cè)蛋白質(zhì)對(duì)理解微生物群落實(shí)際表達(dá)的功能更為重要。宏蛋白組學(xué)通過(guò)全面檢測(cè)微生物群落所表達(dá)的蛋白質(zhì)，可以提供關(guān)于微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的深入視角。
宏蛋白組學(xué)概念自2004年首次被提出以來(lái)，迄今為止，宏蛋白組學(xué)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了20余年的發(fā)展歷程，其在微生物組學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為研究微生物群落功能的一項(xiàng)強(qiáng)大而有效的技術(shù)手段。
圖1 宏蛋白質(zhì)組技術(shù)里程碑式進(jìn)展時(shí)間圖[1]
宏蛋白組學(xué)的發(fā)展，得益于質(zhì)譜技術(shù)的飛速進(jìn)步。通過(guò)高精度的質(zhì)譜分析，我們能夠鑒定和定量樣本中的成千上萬(wàn)種蛋白質(zhì)，從而揭示微生物群落的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性。它幫助我們深入理解微生物群落如何在人類健康、疾病、環(huán)境生態(tài)中發(fā)揮作用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，宏蛋白組學(xué)為疾病診斷和治療提供了新的視角。例如，腸道微生物的宏蛋白組可以反映個(gè)體的健康狀況，為炎癥性腸病、癌癥、糖尿病、神經(jīng)系統(tǒng)性疾病等病癥的研究和治療提供了新線索。
從精準(zhǔn)醫(yī)療到疾病機(jī)理探索，宏蛋白組學(xué)正引領(lǐng)醫(yī)學(xué)研究新浪潮。接下來(lái)，通過(guò)幾篇文章來(lái)看一下吧！
2024年1月，浙江省腫瘤醫(yī)院程向東、徐志遠(yuǎn)課題組在《Microbiome》(IF=13.8)上發(fā)表了題目為“In-depth metaproteomics analysis of tongue coating for gastric cancer: a multicenter diagnostic research study”的研究論文。該研究通過(guò)宏蛋白組學(xué)技術(shù)對(duì)來(lái)自中國(guó)5個(gè)研究中心的180例胃癌患者和185例非胃癌患者的345例舌苔樣本進(jìn)行檢測(cè)，得到1432種人源蛋白和12780種微生物蛋白，觀察到胃癌患者舌苔角蛋白 KRT2 和 KRT9 的下調(diào)，以及 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋自COG1136的下調(diào)，表明舌黏膜的防御能力下降。使用舌苔中的50種微生物蛋白機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于篩選并識(shí)別胃癌高危個(gè)體，在臨床獨(dú)立驗(yàn)證隊(duì)列研究中AUC達(dá)到了 0.91。
圖2 基于微生物來(lái)源的舌苔蛋白的胃癌篩查模型
腸道菌群-腸-腦軸在調(diào)節(jié)大腦功能方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，尤其在情緒處理和行為方面。2023年4月，北京理工大學(xué)和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合在《Microbiome》(IF=13.8)上發(fā)表了題目為“Positive mood-related gut microbiota in a long-term closed environment: a multiomics study based on the “Lunar Palace 365” experiment”的研究論文。該研究 基于宏基因組學(xué)、宏蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)技術(shù)探究腸道菌群與航天員心理變化的相關(guān)性，確定了4種潛在的精神益生菌，主要通過(guò)與神經(jīng)系統(tǒng)功能相關(guān)的三個(gè)途徑改善情緒，產(chǎn)生丙酸和丁酸等短鏈脂肪酸途徑，其次調(diào)節(jié)氨基酸代謝途徑和其他調(diào)節(jié)?；撬帷⑵べ|(zhì)醇代謝途徑。另外，23個(gè)蛋白與積極情緒呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與消極情緒呈負(fù)相關(guān)（P＜0.05），且參與的有18條KEGG通路與相應(yīng)的潛在精神益生菌相匹配。
圖3 基于“月宮365”實(shí)驗(yàn)的多組學(xué)研究
2023年12月，意大利薩薩里大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系團(tuán)隊(duì)在《Gut Microbes》（IF=12.2）上發(fā)表題為“Metaproteomic assessment of gut microbial and host functional perturbations in Helicobacter pylori-infected patients subjected to an antimicrobial protocol”的研究論文。該研究對(duì)10名幽門(mén)螺桿菌感染的患者在四聯(lián)療法治療前（T0）、治療10天后（T1）和治療結(jié)束后30天（T2）的糞便樣本進(jìn)行宏蛋白質(zhì)組學(xué)檢測(cè)分析，以探究在根除和愈合過(guò)程中腸道微生物（GM）和宿主功能的變化。治療后，患者GM蛋白與宿主蛋白的比例發(fā)生顯著逆轉(zhuǎn)，GM產(chǎn)生短鏈脂肪酸（如乙酸、丙酸、丁酸）的功能受到影響，同時(shí)增強(qiáng)了與攝取和處理復(fù)雜糖類相關(guān)的蛋白活性。另外，治療后于抗生素抗性和炎癥相關(guān)的GM蛋白表達(dá)增加，于炎癥及幽門(mén)螺旋桿菌相關(guān)致癌過(guò)程的宿主蛋白減少等。研究表明，抗菌治療能重塑GM和宿主的功能，為開(kāi)發(fā)維持腸道穩(wěn)態(tài)的新型抗菌療法提供了科學(xué)依據(jù)。
圖4 宏蛋白質(zhì)組學(xué)方案設(shè)計(jì)
腸道微生物群和神經(jīng)發(fā)育之間存在關(guān)系，但潛在機(jī)制尚未確定。2023年12月，西班牙格拉納達(dá)大學(xué)生物醫(yī)藥研究中心團(tuán)隊(duì)在《Cell Host & Microbe》（IF=20.6）發(fā)表題為“Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice”的研究論文。該研究通過(guò)16S rRNA測(cè)序、宏蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)分析比較足月健康6個(gè)月嬰兒腸道微生物群，通過(guò)將嬰兒腸道微生物群移植到GF小鼠體內(nèi)建立因果關(guān)系，并縮小到幾個(gè)有可能影響行為結(jié)果的物種。宏蛋白組學(xué)分析，建立了腸道微生物組中表達(dá)的蛋白質(zhì)與嬰兒組氨酸代謝物和認(rèn)知之間的聯(lián)系。特別是，組氨酸氨裂解酶（histidine ammonia lyase, HutH）的活性與認(rèn)知能力相關(guān)。表明“腸腦軸”在嬰兒時(shí)期就起到至關(guān)重要的作用。
圖5 嬰兒腸道菌群影響小鼠認(rèn)知能力
2023年7月，美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《Microbiome》（IF=13.8）上發(fā)表題為“Increased genital mucosal cytokines in Canadian women associate with higher antigen-presenting cells, inflammatory metabolites, epithelial barrier disruption, and the depletion of L.crispatus”的研究論文。該研究通過(guò)多組學(xué)方法（蛋白質(zhì)組+宏蛋白質(zhì)組+代謝組）分析43例女性宮頸陰道樣本，以表征宮頸及陰道炎癥的宿主、免疫、功能微生物組和代謝組特征。該研究確定了與宮頸陰道炎癥相關(guān)的關(guān)鍵分子和免疫學(xué)特征，包括較高的抗原呈遞細(xì)胞（APCs）、細(xì)菌代謝和炎癥相關(guān)的蛋白質(zhì)組改變。由于APCs與HIV傳播、分娩和宮頸癌進(jìn)展有關(guān)，因此需要進(jìn)一步研究去探索其中的復(fù)雜機(jī)制。
圖6 宮頸陰道炎的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析
宏蛋白組學(xué)（Metaproteomics）技術(shù)核心對(duì)特定時(shí)間點(diǎn)上微生物群落的所有蛋白質(zhì)進(jìn)行大規(guī)模的定性和定量分析。它可以幫助我們深入理解微生物群落與宿主之間的相互作用，識(shí)別與疾病發(fā)生發(fā)展相關(guān)的微生物蛋白，為疾病標(biāo)志物的篩選、致病菌功能狀態(tài)的檢測(cè)以及疾病治療藥物新靶點(diǎn)的發(fā)掘提供重要信息。
青蓮百奧宏蛋白組學(xué)通過(guò)對(duì)微生物樣本進(jìn)行前處理，通過(guò)質(zhì)譜技術(shù)規(guī)?；夭杉⑸锓N群的蛋白質(zhì)信息，提供一種直接反映微生物群落功能活性的研究手段。
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