宏蛋白質組學幫助我們更好的理解腸道微生物種群與人類健康的關係

背景

過去幾年中，宏基因組學和轉錄組學的研究發現，腸道微生物群落與肥胖、糖尿病、心腦血管疾病以及高血壓有密切的關係，例如一些特定的微生物群落能夠通過改變腸道基因，改變宿主代謝，進而導致肥胖的發生。

在多組學研究手段中，依賴於質譜的宏蛋白質組學研究，仍然存在很大的潛力，而其對於腸道微生物基因產物的鑒定，無疑將幫助我們更好地理解腸道微生物種群與人類健康的關係。

從宏基因組到宏蛋白組

考慮到腸道有可能是最為複雜的生態系統，高通量的宏基因組研究方法（例如16S rRNA測序），被廣泛採用來研究微生物群落的組成、它們對人類健康和疾病的影響。研究發現，這些微生物群落與宿主抵抗病原體感染、先天免疫調節、炎症反應、營養吸收以及通過代謝過程的能量平衡密切相關。不平衡的微生物群落，往往會導致例如肥胖或者糖尿病，甚至動脈粥樣硬化等心腦血管疾病。

但這些經典的微生物群落研究，並不能幫助我們解析這些細菌群落與宿主基因組的關係，以及對宿主健康的影響。環境蛋白質組學（宏蛋白組）的出現，似乎幫助我們跨越了這一鴻溝。與宏基因組和宏轉錄組相比，宏蛋白組的主要優勢在於以「功能」信息為基礎。對於蛋白質以及它們所屬的特定種群的鑒定，以及它們如何與宿主發生聯繫，是更好地理解生理和病理狀態下宿主的一把鑰匙。因此，宏蛋白組或者群落蛋白質基因組學，已經成為蛋白組研究的一個重要領域，來實現環境（例如人類腸道）微生物種群的大規模蛋白質鑒定和分析。

但是，我們也必須考慮到，環境樣本的複雜性要遠遠高於常規蛋白組樣本，特別是完整基因組資料庫的缺乏。因此，經過十餘年的研究之後，這種分析技術仍然是這一領域的一個重大挑戰。據估計，糞便樣本中有超過21000個種群，包含超過63,000,000種蛋白質，在對一項腸炎的宏蛋白組研究中鑒定了2900種蛋白質。

宏蛋白組研究

腸道的多組學研究，往往採用糞便作為研究樣本，一方面是因為樣本的易獲取性，並且可研究不同時間點的樣本變化。第一項對於人類糞便的大規模宏蛋白組研究，共鑒定了1340個非冗餘蛋白質，其中30%的蛋白質匹配到人的資料庫中。這提醒我們，來自宿主的蛋白質，有可能掩蓋微生物群落的蛋白質，造成了宏蛋白組研究的一大挑戰。

來自這一領域的專家，總結了進行宏蛋白組學研究必須考慮的關鍵4步：1.從整個微生物群落中有效地提取蛋白質；2.去除可能會幹擾酶切、以及質譜鑒定的化合物和試劑；3.宿主細胞的去除和微生物細胞的富集；4.質譜檢測前樣本的分級。

宏蛋白組研究的另一個挑戰，是用於肽段譜圖匹配的資料庫的選擇，包含特定微生物種群的客戶定製化資料庫，可以用來代替高序列覆蓋的資料庫（例如NCBI-nr資料庫），因為後者耗費的時間較長以及較低的肽段發現靈敏度。但是必須明確，利用這些公共資料庫的一個缺陷是，一些未培養的微生物的基因組序列在資料庫中不存在。因此，最好的方案是，來自同一樣本的宏基因組測序資料庫，將會顯著增加蛋白質鑒定率。

展望

儘管宏蛋白組存在著這樣那樣的挑戰，但是也同時意味著極大的研究缺口。相信接下來，宏蛋白組的研究成本會進一步降低，從而和其它（例如16S rRNA測序、宏基因組、宏轉錄組、宏代謝組）的數據一起，共同實現對於複雜腸道微生物的深度解析。

參考文獻：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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