微生物遍布整個世界，從人體腸道到遙遠的深海，從肥沃的土壤到空氣中的微粒。它們以群落的形式存在，每個群落中的成員可能多達數(shù)百種。雖然宏基因組學可以通過分析微生物群落的全部基因揭示特定群落的功能潛力，但直接檢測蛋白質(zhì)對理解微生物群落實際表達的功能更為重要。宏蛋白組學通過全面檢測微生物群落所表達的蛋白質(zhì)，可以提供關于微生物群落結(jié)構與功能的深入視角。
宏蛋白組學概念自2004年首次被提出以來，迄今為止，宏蛋白組學已經(jīng)經(jīng)過了20余年的發(fā)展歷程，其在微生物組學研究領域應用變得越來越廣泛，已經(jīng)成為研究微生物群落功能的一項強大而有效的技術手段。
圖1 宏蛋白質(zhì)組技術里程碑式進展時間圖[1]
宏蛋白組學的發(fā)展，得益于質(zhì)譜技術的飛速進步。通過高精度的質(zhì)譜分析，我們能夠鑒定和定量樣本中的成千上萬種蛋白質(zhì)，從而揭示微生物群落的復雜性和動態(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)學領域，宏蛋白組學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。
從精準醫(yī)療到疾病機理探索，宏蛋白組學正引領醫(yī)學研究新浪潮。接下來，通過幾篇文章來看一下吧！
2024年1月，浙江省腫瘤醫(yī)院程向東、徐志遠課題組在《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。該研究通過宏蛋白組學技術對來自中國5個研究中心的180例胃癌患者和185例非胃癌患者的345例舌苔樣本進行檢測，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種微生物蛋白機器學習模型，用于篩選并識別胃癌高危個體，在臨床獨立驗證隊列研究中AUC達到了 0.91。
圖2 基于微生物來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，北京理工大學和北京航空航天大學聯(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、宏蛋白組學、代謝組學技術探究腸道菌群與航天員心理變化的相關性，確定了4種潛在的精神益生菌，主要通過與神經(jīng)系統(tǒng)功能相關的三個途徑改善情緒，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)牛磺酸、皮質(zhì)醇代謝途徑。另外，23個蛋白與積極情緒呈顯著正相關（P＜0.05），與消極情緒呈負相關（P＜0.05），且參與的有18條KEGG通路與相應的潛在精神益生菌相匹配。
圖3 基于“月宮365”實驗的多組學研究
2023年12月，意大利薩薩里大學生物醫(yī)學系團隊在《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10名幽門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）的糞便樣本進行宏蛋白質(zhì)組學檢測分析，以探究在根除和愈合過程中腸道微生物（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，同時增強了與攝取和處理復雜糖類相關的蛋白活性。另外，治療后于抗生素抗性和炎癥相關的GM蛋白表達增加，于炎癥及幽門螺旋桿菌相關致癌過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，為開發(fā)維持腸道穩(wěn)態(tài)的新型抗菌療法提供了科學依據(jù)。
圖4 宏蛋白質(zhì)組學方案設計
腸道微生物群和神經(jīng)發(fā)育之間存在關系，但潛在機制尚未確定。2023年12月，西班牙格拉納達大學生物醫(yī)藥研究中心團隊在《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16S rRNA測序、宏蛋白組學和代謝組學分析比較足月健康6個月嬰兒腸道微生物群，通過將嬰兒腸道微生物群移植到GF小鼠體內(nèi)建立因果關系，并縮小到幾個有可能影響行為結(jié)果的物種。宏蛋白組學分析，建立了腸道微生物組中表達的蛋白質(zhì)與嬰兒組氨酸代謝物和認知之間的聯(lián)系。特別是，組氨酸氨裂解酶（histidine ammonia lyase, HutH）的活性與認知能力相關。表明“腸腦軸”在嬰兒時期就起到至關重要的作用。
圖5 嬰兒腸道菌群影響小鼠認知能力
2023年7月，美國凱斯西儲大學研究團隊在《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。該研究通過多組學方法（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的關鍵分子和免疫學特征，包括較高的抗原呈遞細胞（APCs）、細菌代謝和炎癥相關的蛋白質(zhì)組改變。由于APCs與HIV傳播、分娩和宮頸癌進展有關，因此需要進一步研究去探索其中的復雜機制。
圖6 宮頸陰道炎的貝葉斯網(wǎng)絡分析
宏蛋白組學（Metaproteomics）技術核心對特定時間點上微生物群落的所有蛋白質(zhì)進行大規(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，識別與疾病發(fā)生發(fā)展相關的微生物蛋白，為疾病標志物的篩選、致病菌功能狀態(tài)的檢測以及疾病治療藥物新靶點的發(fā)掘提供重要信息。
青蓮百奧宏蛋白組學通過對微生物樣本進行前處理，通過質(zhì)譜技術規(guī)模化地采集微生物種群的蛋白質(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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