微(wei)生(sheng)物遍布整個世界，從(cong)人體腸道到(dao)遙(yao)遠的(de)深海，從(cong)肥沃的(de)土壤到(dao)空(kong)氣中的(de)微(wei)粒。它(ta)們以(yi)群(qun)(qun)(qun)落的(de)形式存(cun)在，每個群(qun)(qun)(qun)落中的(de)成員可能(neng)(neng)多(duo)達(da)數(shu)百(bai)種。雖(sui)然宏基因(yin)組學可以(yi)通過分(fen)析(xi)微(wei)生(sheng)物群(qun)(qun)(qun)落的(de)全部基因(yin)揭示特定群(qun)(qun)(qun)落的(de)功能(neng)(neng)潛(qian)力，但(dan)直接檢測蛋白質(zhi)對理(li)解(jie)微(wei)生(sheng)物群(qun)(qun)(qun)落實際表達(da)的(de)功能(neng)(neng)更為重要。宏蛋白組學通過全面檢測微(wei)生(sheng)物群(qun)(qun)(qun)落所表達(da)的(de)蛋白質(zhi)，可以(yi)提供關(guan)于微(wei)生(sheng)物群(qun)(qun)(qun)落結(jie)構與功能(neng)(neng)的(de)深入視角(jiao)。
宏蛋白組學(xue)概念自(zi)2004年(nian)首次被提出以來，迄今為(wei)止，宏蛋白組學(xue)已(yi)經經過了(le)20余年(nian)的發展歷程，其(qi)在微生物組學(xue)研(yan)究領域應用變(bian)得越來越廣泛，已(yi)經成為(wei)研(yan)究微生物群落功能(neng)的一(yi)項強大而有效(xiao)的技術手段。
圖1 宏蛋白質組技術里程碑式進展時間圖[1]
宏蛋(dan)白(bai)組(zu)學(xue)的(de)發展，得(de)益于質譜(pu)技術(shu)的(de)飛速(su)進(jin)步。通過高(gao)精度的(de)質譜(pu)分析(xi)，我(wo)(wo)們能夠鑒定(ding)和(he)(he)定(ding)量樣本(ben)中的(de)成(cheng)千上(shang)萬(wan)種(zhong)蛋(dan)白(bai)質，從而揭(jie)示微(wei)生物群落的(de)復(fu)雜性(xing)和(he)(he)動態性(xing)。它(ta)幫助(zhu)我(wo)(wo)們深(shen)入理(li)解微(wei)生物群落如何在(zai)人類健康、疾病(bing)(bing)(bing)、環境生態中發揮作用(yong)。在(zai)醫(yi)學(xue)領域，宏蛋(dan)白(bai)組(zu)學(xue)為疾病(bing)(bing)(bing)診(zhen)斷和(he)(he)治療提供了(le)新的(de)視角(jiao)。例如，腸道微(wei)生物的(de)宏蛋(dan)白(bai)組(zu)可以反映個體的(de)健康狀況(kuang)，為炎癥性(xing)腸病(bing)(bing)(bing)、癌癥、糖尿病(bing)(bing)(bing)、神經系統性(xing)疾病(bing)(bing)(bing)等病(bing)(bing)(bing)癥的(de)研究和(he)(he)治療提供了(le)新線索。
從精準醫療到疾(ji)病機理(li)探索(suo)，宏(hong)蛋白組(zu)學(xue)(xue)正引(yin)領醫學(xue)(xue)研(yan)究新浪(lang)潮。接下來，通(tong)過幾篇(pian)文(wen)章來看一下吧！
2024年1月，浙江省腫瘤醫院程向東、徐志遠課題組在《Microbiome》(IF=13.8)上發表了題目為“In-depth metaproteomics analysis of tongue coating for gastric cancer: a multicenter diagnostic research study”的研(yan)究(jiu)論(lun)文。該研(yan)究(jiu)通過宏蛋(dan)(dan)白(bai)組學技術對來自(zi)中(zhong)國5個研(yan)究(jiu)中(zhong)心的180例(li)胃(wei)癌患者(zhe)和(he)(he)185例(li)非(fei)胃(wei)癌患者(zhe)的345例(li)舌(she)苔樣本進行檢測，得到1432種(zhong)人(ren)源蛋(dan)(dan)白(bai)和(he)(he)12780種(zhong)微生物(wu)蛋(dan)(dan)白(bai)，觀察到胃(wei)癌患者(zhe)舌(she)苔角蛋(dan)(dan)白(bai) KRT2 和(he)(he) KRT9 的下(xia)調(diao)，以及(ji) ABC轉運蛋(dan)(dan)自(zi)COG1136的下(xia)調(diao)，表明舌(she)黏膜的防御能力下(xia)降。使(shi)用舌(she)苔中(zhong)的50種(zhong)微生物(wu)蛋(dan)(dan)白(bai)機器學習模型，用于篩選并識別胃(wei)癌高危個體(ti)，在臨床獨(du)立驗(yan)證隊(dui)列研(yan)究(jiu)中(zhong)AUC達(da)到了 0.91。
圖2 基于微生物來源的舌苔蛋(dan)白的胃癌(ai)篩查模型
腸道菌群-腸-腦軸在調節大腦功能方面發揮著關鍵的作用，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合在《Microbiome》(IF=13.8)上發表了題目為(wei)“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(zu)學(xue)、宏蛋白組(zu)學(xue)、代謝組(zu)學(xue)技術(shu)探究腸(chang)道菌(jun)(jun)群與航天員心理變化的相(xiang)(xiang)關性，確(que)定了4種(zhong)潛在的精神益(yi)生(sheng)菌(jun)(jun)，主要通過與神經系統功能相(xiang)(xiang)關的三個途(tu)徑(jing)改善情(qing)(qing)緒(xu)，產生(sheng)丙酸和丁(ding)酸等短鏈脂肪(fang)酸途(tu)徑(jing)，其(qi)次調節氨基酸代謝途(tu)徑(jing)和其(qi)他調節牛磺(huang)酸、皮(pi)質醇代謝途(tu)徑(jing)。另外，23個蛋白與積極情(qing)(qing)緒(xu)呈顯(xian)著正相(xiang)(xiang)關（P＜0.05），與消(xiao)極情(qing)(qing)緒(xu)呈負相(xiang)(xiang)關（P＜0.05），且參(can)與的有18條(tiao)KEGG通路(lu)與相(xiang)(xiang)應(ying)的潛在精神益(yi)生(sheng)菌(jun)(jun)相(xiang)(xiang)匹配。
圖3 基(ji)于“月(yue)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學系團隊在《Gut Microbes》（IF=12.2）上發表(biao)題為(wei)“Metaproteomic assessment of gut microbial and host functional perturbations in Helicobacter pylori-infected patients subjected to an antimicrobial protocol”的(de)(de)(de)(de)研(yan)究論文。該研(yan)究對(dui)10名幽(you)門螺(luo)桿菌感染(ran)的(de)(de)(de)(de)患者在(zai)四聯療法(fa)(fa)治療前（T0）、治療10天后（T1）和(he)(he)治療結束后30天（T2）的(de)(de)(de)(de)糞便(bian)樣本進(jin)行(xing)宏(hong)蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白(bai)(bai)(bai)質組學(xue)檢(jian)測(ce)分析，以探究在(zai)根除和(he)(he)愈合過程中腸道(dao)微生物（GM）和(he)(he)宿主(zhu)功(gong)能的(de)(de)(de)(de)變(bian)化。治療后，患者GM蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白(bai)(bai)(bai)與宿主(zhu)蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白(bai)(bai)(bai)的(de)(de)(de)(de)比例發生顯著(zhu)逆轉(zhuan)，GM產生短鏈脂肪酸(suan)（如乙酸(suan)、丙酸(suan)、丁(ding)酸(suan)）的(de)(de)(de)(de)功(gong)能受(shou)到影響，同時增強了與攝取和(he)(he)處理復雜(za)糖(tang)類相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白(bai)(bai)(bai)活性。另(ling)外，治療后于(yu)抗(kang)(kang)生素抗(kang)(kang)性和(he)(he)炎(yan)癥(zheng)相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)GM蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白(bai)(bai)(bai)表(biao)達增加，于(yu)炎(yan)癥(zheng)及幽(you)門螺(luo)旋桿菌相(xiang)(xiang)關(guan)(guan)致癌過程的(de)(de)(de)(de)宿主(zhu)蛋(dan)(dan)(dan)(dan)白(bai)(bai)(bai)減少等。研(yan)究表(biao)明，抗(kang)(kang)菌治療能重塑(su)GM和(he)(he)宿主(zhu)的(de)(de)(de)(de)功(gong)能，為(wei)開(kai)發維(wei)持腸道(dao)穩態的(de)(de)(de)(de)新型抗(kang)(kang)菌療法(fa)(fa)提供(gong)了科學(xue)依據(ju)。
圖4 宏蛋白質組學(xue)方案設計
腸道微生物群和神經發育之間存在關系，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藥研究中心團隊在《Cell Host & Microbe》（IF=20.6）發表題(ti)為“Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice”的(de)研(yan)(yan)究(jiu)論(lun)文。該研(yan)(yan)究(jiu)通(tong)過(guo)16S rRNA測(ce)序、宏蛋(dan)白(bai)組(zu)學和代(dai)謝組(zu)學分(fen)析比較足月(yue)健(jian)康6個月(yue)嬰兒(er)腸(chang)道(dao)微生(sheng)物(wu)(wu)群，通(tong)過(guo)將嬰兒(er)腸(chang)道(dao)微生(sheng)物(wu)(wu)群移植(zhi)到(dao)GF小鼠(shu)體內建立(li)(li)因果關(guan)系，并縮小到(dao)幾個有可能影響行(xing)為結果的(de)物(wu)(wu)種。宏蛋(dan)白(bai)組(zu)學分(fen)析，建立(li)(li)了腸(chang)道(dao)微生(sheng)物(wu)(wu)組(zu)中表達的(de)蛋(dan)白(bai)質與嬰兒(er)組(zu)氨(an)酸代(dai)謝物(wu)(wu)和認知之間的(de)聯系。特(te)別是(shi)，組(zu)氨(an)酸氨(an)裂解酶(mei)（histidine ammonia lyase, HutH）的(de)活性(xing)與認知能力相關(guan)。表明(ming)“腸(chang)腦(nao)軸”在嬰兒(er)時期就起到(dao)至關(guan)重要的(de)作用(yong)。
圖5 嬰兒(er)腸道(dao)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(shang)發表題為“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(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)論文。該研(yan)究(jiu)(jiu)通過多組(zu)學方法（蛋白(bai)質組(zu)+宏蛋白(bai)質組(zu)+代(dai)謝(xie)組(zu)）分析43例女性宮(gong)頸(jing)(jing)陰(yin)(yin)道樣(yang)本，以表征宮(gong)頸(jing)(jing)及陰(yin)(yin)道炎(yan)癥(zheng)的(de)(de)宿主(zhu)、免(mian)(mian)疫(yi)、功(gong)能微生物組(zu)和(he)(he)代(dai)謝(xie)組(zu)特征。該研(yan)究(jiu)(jiu)確(que)定了與(yu)宮(gong)頸(jing)(jing)陰(yin)(yin)道炎(yan)癥(zheng)相關(guan)的(de)(de)關(guan)鍵分子和(he)(he)免(mian)(mian)疫(yi)學特征，包括(kuo)較高的(de)(de)抗(kang)原呈遞(di)細胞（APCs）、細菌(jun)代(dai)謝(xie)和(he)(he)炎(yan)癥(zheng)相關(guan)的(de)(de)蛋白(bai)質組(zu)改變。由(you)于APCs與(yu)HIV傳(chuan)播、分娩和(he)(he)宮(gong)頸(jing)(jing)癌進展(zhan)有關(guan)，因此需要進一步研(yan)究(jiu)(jiu)去探索其中的(de)(de)復雜機制。
圖(tu)6 宮頸(jing)陰道炎的貝葉斯網絡(luo)分析
宏蛋白組學（Metaproteomics）技術核心對特定時間點上微(wei)生物(wu)(wu)群(qun)落(luo)(luo)的(de)所有蛋白質進行大規模的(de)定性和定量分(fen)析。它可以幫助(zhu)我們深入理解(jie)微(wei)生物(wu)(wu)群(qun)落(luo)(luo)與宿主之間的(de)相(xiang)互作用，識別與疾(ji)病發(fa)(fa)生發(fa)(fa)展相(xiang)關的(de)微(wei)生物(wu)(wu)蛋白，為疾(ji)病標志物(wu)(wu)的(de)篩選、致病菌功(gong)能狀態的(de)檢測(ce)以及疾(ji)病治療(liao)藥物(wu)(wu)新靶點的(de)發(fa)(fa)掘提供重要信息。
青(qing)蓮(lian)百奧宏蛋白組學(xue)通(tong)過(guo)對微(wei)生(sheng)物樣(yang)本進行前處理，通(tong)過(guo)質譜技(ji)術規模化地采集微(wei)生(sheng)物種群的(de)蛋白質信息，提供(gong)一(yi)種直接反映微(wei)生(sheng)物群落功能活性的(de)研究手(shou)段。
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