Journal of Proteome Research | Current understanding of human metaproteome association and modulation（人类宏蛋白质组研究近期综述）(解读人：李巧珍）

文献名：Current understanding of human metaproteome association and modulation（人类宏蛋白质组研究近期综述）

期刊名：J Proteome Res

发表时间： （2019年10月）

IF：3.78

技术：宏蛋白质组综述

 

一、 概述：（用精炼的语言描述文章的整体思路及结果）

过去的十年中，宏蛋白为人们更好地了解微生物组的功能特征提供数据。尽管已经有高通量宏蛋白质组的数据，但是对其功能的认识还不清楚，最重要的是，这些蛋白质分子在宿主的确切结果、潜在的机制了解不足。在这里，我们探讨宏蛋白质组研究的最新进展、可能的调控机制、宏蛋白质组的生物特征、挑战和未来前景。

二、 研究背景：（简要介绍研究进展动态、研究目的和意义）

在过去十年中，多项研究提供了人类肠道微生物多样性的有力证据。数据驱动性的研究表明肠道菌群与宿主平衡共生。肠道微生物为宿主提供包括免疫引发、新陈代谢的效应物、防止病原体。相反，这些微生物的失调与多种疾病有关，例如炎症性肠病（IBD）、1型糖尿病（T1D）。基于16S rRNA和宏基因组方法建立了核心微生物分类数据库。对于这些数据库的分析，不仅为肠道微生物的复杂性提供见解，还能明确多样性对宿主的影响。宏蛋白质组学是研究整个微生物群落的蛋白质，获得有关微生物群落与宿主之间动态相互作用的功能信息。宏基因组研究获得的信息有限。因此，使用宏蛋白质组技术可以了解菌群对宿主的影响，帮助理解疾病的发生。

三、 概述内容

1. 宏基因组、宏转录组、宏蛋白质组之间的关系

宏基因组可以获得混合微生物的全部基因，但是无法鉴定细菌活性情况。宏转录组可以作为基因活性指标，但无法完全代表实际执行功能的蛋白质情况。宏蛋白研究对蛋白功能的理解优于宏基因组和宏转录组。它可以通过菌群了解原位病理生理学，最终阐明消化道的功能运作。此外，了解宿主与微生物之间的相互关系。多项宏蛋白质组研究表明宏蛋白与健康人类肠道的某些核心功能相关。例如，碳水化合物、氨基酸代谢。有研究对囊性纤维化（CF）患者和健康对照者的宏基因组和宏蛋白质组进行建模研究，发现拟杆菌数量增加，而Firmicutes减少，这与宏基因组的发现相反。由于生物学因素导致两个组学数据差异，仍然需要进一步研究。

表1 宏基因组与宏蛋白质组研究技术对比

 

1. 肠道微生物的稳定与多样性

肠道的微生物种类丰富，也是深受关注。一些研究揭示了肠道菌群的稳定性。Mehta et al. 研究成年男子的粪便微生物，并发现宏基因组比宏转录组稳定。宏基因组的个体间差异比个体内差异大，但是宏转录组的差异相反，个体内差异比个体间差异还要大。新生儿粪便宏蛋白质组研究发现出生后21天的肠道菌群复杂性显著增加，但鉴定到的蛋白质从96%降到30%。这些变化与之前报道的宏基因组和16S测序类似。

不同年龄肠道菌群情况

有人报道成年的肠道菌群相对稳定，一项纵向研究探索某著名艺术家45年间的肠道情况，有45%的微生物是稳定的。健康人的肠道菌群功能相对保守，排名前25的蛋白质变化有限，功能网络显示出在疾病状态下可能是相互作用。

健康人的宏蛋白功能性酶情况

1. 与宿主的关系

越来越多证据表明宿主免疫系统与微生物存在共生关系，最终达到维持宿主稳态的目标。宿主与微生物相互作用可以进一步由微生物菌群和宿主免疫系统之间的平衡系统来解释。肠道菌群通过营养竞争的方式保护宿主免受病原体侵害。另外肠道微生物诱导抗菌肽产生，参与食物中酚类化合物代谢，直接或间接地与宿主肠道神经系统相互作用。

1. 宏蛋白质组翻译后修饰

研究表明，病原体采用多种机制来干扰宿主翻译后修饰，影响其感染的关键功能。PTM在宿主-微生物相互作用中的潜在功能仍然不清楚。目前还没有对宏蛋白PTM进行组学研究，但是探索这些细菌的反应有助于了解肠道菌群与宿主反应系统之间的关系。

1. 宏蛋白质组在生态失调的研究

药物和疾病会导致患者的宏蛋白水平生态失调。长期食用高脂饮食会触发与炎症。宏蛋白受到抗生素治疗影响极大。压力也会诱导微生物改变。

与疾病相关的肠道微生物改变

5.1生态失调与炎症性肠病（IBD）

两项针对儿童IBD的宏蛋白质组研究发现碳水化合物、氨基酸和脂质代谢，以及增强微生物防御能力和DNA修复有关蛋白质差异变化。

5.2囊性纤维化（CF）

CF患者表现出与碳水化合物相关的丁酸盐，鞭毛蛋白和蛋白质水平降低。宿主蛋白分析表明急性期反应物水平升高。

5.3 生态失衡与肝硬化

宏基因组将生态失衡与肝硬化联系起来。有一项与肝硬化宏蛋白的研究，结果表明肝硬化患者的葡萄糖和能量产生的酶明显升高。代谢活性蛋白产量增加使微生物群适应肝硬化的改变。这种机制有利于增加能量供应，以补偿与疾病相关的营养不良。

5.4 生态失衡与1型糖尿病

最近也有一些用宏蛋白质组对1型糖尿病的研究，研究显示这些患者的宏蛋白与氨基酸转运、代谢，转录，PTM，蛋白质生命周期和伴侣有关。

5.5与肥胖相关

大部分肥胖患者的改变在于能量产生相关蛋白的改变，如丁酸盐产量增加，特定菌毛形成蛋白、鞭毛蛋白增加。肥胖个体中的拟杆菌活性较高

5.6肠道与严重抑郁症

肠道与中枢神经系统疾病，如抑郁症、自闭症，都有报道。

1. 宏蛋白质组实验的挑战

微生物样本复杂，从粪便样本中富集微生物的方法包括双重过滤，差速离心。双重过滤根据微生物（0.2-2um）和人（10-100um）细胞大小差异来富集细胞，这种方法对于粘附在食物表面或宿主细胞上的微生物蛋白有可能会损失。不同的裂解方法提取效果也不一样，其中采用SDS和超声的方法，覆盖到的蛋白质更多。总的来说，需要在实验前建立标准的宏蛋白质组提取方法。

 

1. 宏蛋白质组对计算资源的挑战

地球上有1万亿个微生物，基因序列冗余导致搜索时间长并难以得到明确结果，因此选择合适的数据库对宏蛋白质组研究极具挑战。公共数据库，如Uniprot、NCBI、RefSeq和Ensemble，序列多会延长搜索时间、FDR较高。平行样本测序产生的数据库更适合用于后续的蛋白质组学分析。两步搜索可以克服搜索空间大的问题。另外还有MetaPro-IQ迭代搜索的方式。与蛋白质组分析不同，大多数宏蛋白物种缺少全面的分类和功能信息，需要完善功能注释。

1. 宏蛋白质组定量策略

最常见的使采用谱图计数法、峰面积法。标记定量也有采用，如SILAC、SILAM、SILAMi。等重同位素标记法也有使用。

四、 展望

由于微生物种类多，非微生物蛋白的存在使得样本复杂性增加，如宿主和食物中的蛋白质对宏蛋白质组研究有一定影响。但随着宏蛋白质组技术发展，将来会开发群体宏蛋白标签。宏蛋白需要计算资源较多，云计算使解决此问题的有效途径。DIA技术有助于提高宏蛋白研究的稳定性。将来也需要多组学联合来阐明肠道菌群对疾病的影响。

 

文章亮点（与产品的结合点）：

对宏蛋白研究的综述

阅读人：李巧珍