宏蛋白质组学帮助我们更好的理解肠道微生物种群与人类健康的关系

背景

过去几年中,宏基因组学和转录组学的研究发现,肠道微生物群落与肥胖、糖尿病、心脑血管疾病以及高血压有密切的关系,例如一些特定的微生物群落能够通过改变肠道基因,改变宿主代谢,进而导致肥胖的发生。

在多组学研究手段中,依赖于质谱的宏蛋白质组学研究,仍然存在很大的潜力,而其对于肠道微生物基因产物的鉴定,无疑将帮助我们更好地理解肠道微生物种群与人类健康的关系。

从宏基因组到宏蛋白组

考虑到肠道有可能是最为复杂的生态系统,高通量的宏基因组研究方法(例如16S rRNA测序),被广泛采用来研究微生物群落的组成、它们对人类健康和疾病的影响。研究发现,这些微生物群落与宿主抵抗病原体感染、先天免疫调节、炎症反应、营养吸收以及通过代谢过程的能量平衡密切相关。不平衡的微生物群落,往往会导致例如肥胖或者糖尿病,甚至动脉粥样硬化等心脑血管疾病。

宏蛋白质组学帮助我们更好的理解肠道微生物种群与人类健康的关系

但这些经典的微生物群落研究,并不能帮助我们解析这些细菌群落与宿主基因组的关系,以及对宿主健康的影响。环境蛋白质组学(宏蛋白组)的出现,似乎帮助我们跨越了这一鸿沟。与宏基因组和宏转录组相比,宏蛋白组的主要优势在于以“功能”信息为基础。对于蛋白质以及它们所属的特定种群的鉴定,以及它们如何与宿主发生联系,是更好地理解生理和病理状态下宿主的一把钥匙。因此,宏蛋白组或者群落蛋白质基因组学,已经成为蛋白组研究的一个重要领域,来实现环境(例如人类肠道)微生物种群的大规模蛋白质鉴定和分析。

但是,我们也必须考虑到,环境样本的复杂性要远远高于常规蛋白组样本,特别是完整基因组数据库的缺乏。因此,经过十余年的研究之后,这种分析技术仍然是这一领域的一个重大挑战。据估计,粪便样本中有超过21000个种群,包含超过63,000,000种蛋白质,在对一项肠炎的宏蛋白组研究中鉴定了2900种蛋白质。

宏蛋白组研究

肠道的多组学研究,往往采用粪便作为研究样本,一方面是因为样本的易获取性,并且可研究不同时长点的样本变化。第一项对于人类粪便的大规模宏蛋白组研究,共鉴定了1340个非冗余蛋白质,其中30%的蛋白质匹配到人的数据库中。这提醒我们,来自宿主的蛋白质,有可能掩盖微生物群落的蛋白质,造成了宏蛋白组研究的一大挑战。

来自这一领域的专家,总结了进行宏蛋白组学研究必须考虑的关键4步:1.从整个微生物群落中有效地提取蛋白质;2.去除可能会干扰酶切、以及质谱鉴定的化合物和试剂;3.宿主细胞的去除和微生物细胞的富集;4.质谱检测前样本的分级。

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宏蛋白组研究的另一个挑战,是用于肽段谱图匹配的数据库的选择,包含特定微生物种群的客户定制化数据库,可以用来代替高序列覆盖的数据库(例如NCBI-nr数据库),因为后者耗费的时长较长以及较低的肽段发现灵敏度。但是必须明确,利用这些公共数据库的一个缺陷是,一些未培养的微生物的基因组序列在数据库中不存在。因此,最好的方案是,来自同一样本的宏基因组测序数据库,将会显著增加蛋白质鉴定率。

展望

尽管宏蛋白组存在着这样那样的挑战,但是也同时意味着极大的研究缺口。相信接下来,宏蛋白组的研究成本会进一步降低,从而和其它(例如16S rRNA测序、宏基因组、宏转录组、宏代谢组)的数据一起,共同实现对于复杂肠道微生物的深度解析。

参考文献:BA Petriz ,OL Franco.Metaproteomics as a Complementary Approach to Gut Microbiota in Health and Disease.Frontiers in Chemistry , 2017 , 5.

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