新学期，新征途，中科新生命宏蛋白质组全新启航！
2024-09-09
中科新生命
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前言
微生物群落在地球生态系统中扮演着至关重要的角色，与几乎所有的生命体密切相关。这些微生物通过与宿主之间的相互作用执行复杂的功能，对人体的疾病和健康产生深远的影响。大量研究证明人体微生物与癌症、糖尿病、神经系统疾病等疾病密切相关。因此，全面深入地了解微生物群落的结构和功能对于维持人体健康至关重要。
蛋白质作为生命活动的功能执行者，直接参与多种细胞生理过程，如激素调节、基因表达、细胞间通讯等。虽然宏基因组学可以通过分析微生物群落的全部基因揭示特定群落的功能潜力，但直接检测蛋白质对于理解微生物群落实际表达的功能更为重要。宏蛋白质组通过全面检测微生物群落所表达的蛋白质，为其结构与功能的研究提供新视角。
工作流程及难点
宏蛋白质组的概念于2004年被Wilmes等人首次提出，即特定时刻下微生物群落表达的全部蛋白质。目前，宏蛋白质组的分析主要采用液相色谱质谱联用技术（即LC-MS/MS），与常规的蛋白质组学的工作流程类似(如图1)，宏蛋白质组的工作流程为：根据获得的质谱数据信息进行肽段鉴定和蛋白质推断，获得样本的蛋白质鉴定和定量结果，最后进行物种分类和功能注释，挖掘具有重要生物学意义的功能蛋白信息。
图1 宏蛋白质组的工作流程
但是，与传统的单一物种蛋白质组学不同，宏蛋白质组的研究存在诸多难点。
（1）宏蛋白质组的实际样本是一个复杂体系，微生物种类繁多且存在大量外源或宿主的干扰，具有高度复杂性；
（2）对于复杂的宏蛋白质组样品来说，微生物群落的物种丰度往往呈现较宽的动态范围，导致其蛋白质和肽段层面的丰度差异巨大；
（3）在搜库时，数据库的大小和完整性不仅对鉴定数量有很大影响，还会影响物种和功能水平上的分析。所以如何构建合适的数据库至关重要。
现在，中科新生命针对宏蛋白质的研究难点进行全新的升级，从前处理、构建特异性数据库、高端质谱检测平台和软件逐一攻克。
应用方向
目前宏蛋白质组在微生物组学研究领域的应用变得越来越广泛，已经成为研究微生物群落功能的一项强大而有效的技术手段，以“Metaproteomics”为关键词， 在PubMed上搜索20年来相关文献发表情况（图2）。
图2 宏蛋白质组相关文献的发表数量情况
影响因子：20.5
发表时间：2022.01.27
技术手段：粪便样本的宏蛋白质组学、宏基因组和16S rRNA基因扩增子测序、代谢学、宏肽组学和血清蛋白质组学
摘要：溃疡性结肠炎 （UC） 是由宿主-微生物群稳态的破坏驱动的，但目前的治疗方法仅针对宿主炎症途径。为了了解 UC 中宿主-微生物群相互作用如何被破坏，研究人员收集并分析了实验队列40 名 UC 患者六个基于粪便或血清的组学数据集，以及疾病活动的各种临床、内窥镜和组织学测量。收集了210 个样本 （73 例 UC、117 例克罗恩病、20 例健康对照者） 的验证队列，并单独独立分析。两个队列的数据整合表明，临床活动性 UC 患者中存在大量源自 Bacteroides vulgatus 细菌的蛋白酶。为了测试其蛋白酶是否有助于 UC 疾病活动，研究人员进行了体内和体外实验，发现使用广谱蛋白酶抑制剂可改善B. vulgatus诱导的体外屏障损伤，将具有高丰度B. vulgatus蛋白酶的UC患者的粪便移植到无菌小鼠体内会诱导依赖于蛋白酶活性的结肠炎。通过两个队列的多组学数据整合，提高了对驱动 UC 的功能性微生物群的理解，并为识别其他可能被抑制的途径提供了思路，作为治疗这种疾病的策略。
文章原文：https://www.nature.com/articles/s41564-021-01050-3
影响因子：13.8
发表时间：2023.04.24
技术手段：粪便样本的宏蛋白质组学、宏基因组、代谢组学，情绪检测
摘要：心理健康风险是载人深空探测和长期封闭环境中最严重、最复杂的风险之一。随着对微生物群-肠道-大脑轴的深入研究，肠道微生物群被认为是维持和改善心理健康的新方法。然而，肠道微生物群与长期封闭环境中心理变化之间的相关性仍然知之甚少。本研究对在月宫 1 号（性能优异的封闭式载人生物再生生命支持系统设施）进行为期 1 年的隔离研究，调查肠道菌群与心理变化之间的相关性，以期寻找一些新的潜在精神益生菌来维持和改善船员的心理健康。通过对宏基因组学、宏蛋白质组学和代谢组学分析的基础确定了四种潜在的精神益生菌 （Bacteroides uniformis、Roseburia inulinivorans、Eubacterium rectale 和 Faecalibacterium prausnitzii）。四种潜在的精神益生菌主要通过与神经系统功能相关的途径来改善情绪。本研究的发现对于了解肠道微生物组在太空飞行期间哺乳动物心理健康中的作用至关重要，并为未来努力开发基于微生物群的对策提供了基础，这些对策可以减轻未来人类在月球或火星上的长期太空探险期间对机组人员心理健康的风险。本研究也为未来精神益生菌在神经精神治疗中的应用提供了重要的参考。
文章原文：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-023-01506-0
影响因子：13.8
发表时间：2022.08.24
技术手段：宏蛋白质组学、宏基因组、16S rRNA基因扩增子测序、代谢组学
摘要：克罗恩病 （CD） 是一种炎症性肠病 （IBD） 亚型，由宿主细胞与其常驻肠道微生物之间的病理相互作用引起。CD 表现在孤立的疾病部位（回肠或结肠）或多个部位的组合（回肠结肠）。迄今为止，对分离的 CD 亚型如何影响分子谱的全面理解仍然悬而未决。为了解决这个问题，本文章利用宏蛋白质组学、宏基因组学、16S rRNA 测序、代谢组学分析和宿主遗传学与临床内窥镜评估相结合，从 200 多名 IBD 患者和健康对照者的粪便中捕获的大型横截面特征集来定义 CD 特征。结果发现宏基因组学和宿主遗传学都不能单独区分 CD 亚型。相比之下，宏蛋白质组学可以区分回肠和结肠 CD。该多组学特征集显示结肠 CD 与中性粒细胞相关蛋白密切相关。此外，结肠 CD 与 Bacteroides vulgatus 存在疾病严重程度相关关联。进一步分区分子特征，发现CCD亚型的中性粒细胞相关蛋白高表达，ICD亚型的初级和次级胆汁酸水平增加，并伴随肠道菌群的改变。更广泛地说，这项研究证明了多组学方法在 IBD 生物标志物发现和阐明潜在生物学方面的力量。
文章原文：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-023-01506-0
影响因子：14.7
发表时间：2023.06.10
技术手段：宏蛋白质组
摘要：功能冗余是一个关键的生态系统属性，代表不同分类群通过冗余功能的表达以相似的方式对生态系统做出贡献。人类微生物组的潜在功能冗余最近已经使用宏基因组学数据进行了量化。然而，人类微生物组中表达功能的冗余性从未被定量研究过。本研究提出了一种使用宏蛋白质组学来量化人类肠道微生物组中蛋白质组水平功能冗余的方法。超深度宏蛋白质组学揭示了人类肠道蛋白质组内容网络(即连接分类群和功能的二分图)中蛋白质组水平功能冗余和高嵌套性。并发现了蛋白质组内容网络的嵌套拓扑和某些分类群对蛋白质组之间相对较小的功能距离共同导致了人类肠道微生物组中的变化。可作为一种综合考虑了每种功能的存在/不存在、每种功能的蛋白质丰度和每个分类单元的生物量等因素的指标，在检测微生物群对环境因素(包括个体性、生物地理、异生物质和疾病)反应的新方法。
文章原文：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39149-2
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