Metaproteomics
Метапротеомика (также протеомика сообщества , протеомика окружающей среды или протеогеномика сообщества ) — это общий термин для экспериментальных подходов к изучению всех белков в микробных сообществах и микробиомах из источников окружающей среды . Метапротеомика используется для классификации экспериментов, в которых рассматриваются все белки, идентифицированные и количественно определяемые из сложных микробных сообществ. Подходы метапротеомики сравнимы с геноцентрической геномикой окружающей среды или метагеномикой . [1] [2]
Происхождение термина
[ редактировать ]Термин «метапротеомика» был предложен Франсиско Родригесом-Валерой для описания генов и/или белков, наиболее широко экспрессируемых в образцах окружающей среды. [3] Термин произошел от «метагенома». Уилмс и Бонд предложили термин «метапротеомика» для крупномасштабной характеристики всего белкового набора микробиоты окружающей среды в данный момент времени. [4] В то же время термины «протеомика микробного сообщества» и «протеогеномика микробного сообщества» иногда используются как синонимы для разных типов экспериментов и результатов.
Вопросы, решаемые метапротеомикой
[ редактировать ]Метапротеомика позволяет ученым лучше понять функции генов организмов, поскольку гены в ДНК транскрибируются в мРНК, которая затем транслируется в белок. Таким образом, изменения экспрессии генов можно отслеживать с помощью этого метода. Более того, белки отражают клеточную активность и структуру, поэтому использование метапротеомики в исследованиях может привести к получению функциональной информации на молекулярном уровне. Метапротеомика также может использоваться в качестве инструмента для оценки состава микробного сообщества с точки зрения вклада биомассы отдельных видов членов сообщества и, таким образом, может дополнять подходы, которые оценивают состав сообщества на основе количества копий генов, таких как ампликон гена 16S рРНК или метагеном. секвенирование. [5]
Протеомика микробных сообществ
[ редактировать ]Первый протеомный эксперимент был проведен с изобретением двумерного электрофореза в полиакриламидном геле (2D-PAGE). [6] [7] В 1980-х и 1990-х годах наблюдалось развитие масс-спектрометрии и протеомики, основанной на масс-спектрометрии. Современная протеомика микробного сообщества использует разделение на основе как гелевой (одномерной и двумерной), так и негелевой жидкостной хроматографии , причем оба метода основаны на идентификации пептидов на основе масс-спектрометрии.
Хотя протеомика в значительной степени представляет собой подход, основанный на открытиях, за которым следуют другие молекулярные или аналитические методы для получения полной картины исследуемой системы, она не ограничивается простой каталогизацией белков, присутствующих в образце. Благодаря объединению возможностей подходов «сверху вниз» и «снизу вверх» , протеомика может проводить исследования, начиная от количественного определения экспрессии генов в зависимости от условий роста (будь то питательные, пространственные, временные или химические) до информации о структуре белка . [1]
Метапротеомное исследование микробиома полости рта человека с использованием дробовой протеомики выявило 50 родов бактерий . Результаты согласуются с проектом «Микробиом человека» — подходом, основанным на метагеномике. [8]
Аналогичным образом подходы метапротеомики использовались в более крупных клинических исследованиях, связывающих бактериальный протеом со здоровьем человека. В недавней статье использовалась протеомика дробовика для характеристики вагинального микробиома, идентифицировав 188 уникальных видов бактерий у 688 обследованных женщин. [9] Это исследование связало группы вагинального микробиома с эффективностью местных антиретровирусных препаратов для предотвращения заражения ВИЧ у женщин, что было связано с бактериальным метаболизмом препарата in vivo. Кроме того, метапротеомные подходы использовались для изучения других аспектов вагинального микробиома, включая иммунологические и воспалительные последствия вагинального микробного дисбиоза. [10] а также влияние гормональных контрацептивов на вагинальный микробиом. [11]
Метапротеомика и микробиом кишечника человека
[ редактировать ]Помимо микробиомов полости рта и влагалища , в нескольких исследованиях микробиома кишечника использовались метапротеомные подходы. Исследование 2020 года, проведенное Long et al. с использованием метапротеомных подходов показали, что колоректального рака патогенез может быть обусловлен изменениями в кишечном микробиоме . Несколько белков, исследованных в этом исследовании, были связаны с потреблением и транспортировкой железа , а также с окислительным стрессом , поскольку высокое содержание железа в кишечнике и окислительный стресс указывают на колоректальный рак. [12]
Другое исследование, проведенное в 2017 году Xiong et al. использовали метапротеомику наряду с метагеномикой для анализа микробиома кишечника изменений в процессе развития человека . Сюн и др. младенцев обнаружили, что микробиом кишечника может первоначально быть заселен факультативными анаэробами , такими как Enterococcus и Klebsiella , а затем позже заселен облигатными анаэробами, такими как Clostridium , Bifidobacterium и Bacteroides . Хотя микробиом кишечника человека со временем менялся, метаболические функции микробов оставались неизменными, включая углеводов , аминокислот и нуклеотидов метаболизм . [13]
Аналогичное исследование, проведенное в 2017 году Maier et al. объединили метапротеомику с метагеномикой и метаболомикой, чтобы показать влияние резистентного крахмала на микробиом кишечника человека. После того, как испытуемые потребляли диету с высоким содержанием резистентного крахмала, было обнаружено, что некоторые микробные белки были изменены, такие как , гидратаза еноилкоэнзима А ( еноил-КоА ), фосфотрансацетилаза , аденилсукцинатсинтаза , аденинфосфорибозилтрансферазы и гуанинфосфорибозилтрансферазы бутираткиназа . У людей наблюдалось увеличение количества колипазы , поджелудочной железы триглицеридлипазы , содержания липазы, стимулируемой солями желчных кислот, а также снижение уровня α-амилазы . [14]
В целом, метапротеомика приобрела огромную популярность в исследованиях микробиома кишечника человека, поскольку она привела к важным открытиям в области здравоохранения. [ нужна ссылка ]
Метапротеомика в исследованиях микробиома окружающей среды
[ редактировать ]Метапротеомика оказалась особенно полезной для идентификации микробов, участвующих в различных процессах биодеградации. Исследование 2017 года, проведенное Jia et al. продемонстрировал применение метапротеомики для изучения профилей экспрессии белков микроорганизмов, производящих биотопливо. Согласно этому исследованию, бактериальные и архейные белки участвуют в производстве биотоплива на основе водорода и метана. В число вовлеченных бактериальных белков входят ферредоксин-НАДФ-редуктаза, ацетат-киназа и НАДН-хинон-оксидоредуктаза, обнаруженные в таксонах Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria и Bacteroidetes . Именно эти белки участвуют в метаболизме углеводов, липидов и аминокислот. В процесс вовлечены архейные белки — ацетил-КоА-декарбоксилаза и метил-коэнзим М-редуктаза, обнаруженные у Methanosarcina . Эти белки участвуют в биохимических путях, включающих утилизацию уксусной кислоты, снижение CO 2 и использование метиловых питательных веществ. [15]
О первом методе количественной оценки метапротеомики сообщили Laloo et al. 2018 г. на инженерном биологическом реакторе, обогащенном бактериями, окисляющими аммиак и нитриты. [16] Здесь авторы использовали надежный метод количественного определения SWATH-MS (требование белка 5 мкг) для изучения изменения уровней экспрессии белка в нарушенном состоянии. Исследование отметило, что изменения в экспрессии белка у доминирующих видов, т.е. у бактерий, окисляющих аммиак, четко наблюдались, но этого не было в случае бактерий, окисляющих нитрит, которые были обнаружены в низкой численности.
Исследование Li et al., проведенное в 2019 году. продемонстрировал использование метапротеомики для наблюдения за экспрессией белков генов деградации полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Авторы этого исследования специально сосредоточились на выявлении разлагаемых микробных сообществ в активном иле во время очистки сточных вод, поскольку ПАУ являются широко распространенными загрязнителями сточных вод. Они показали, что бактерии Burkholderiales активно участвуют в деградации ПАУ и что бактериальные белки участвуют в репликации ДНК, метаболизме жирных кислот и глюкозы, реакции на стресс, синтезе белка и метаболизме ароматических углеводородов. [17]
Аналогичное исследование, проведенное в 2020 году Чжаном и соавт. включало метапротеомное профилирование микроорганизмов, разлагающих азокрасители. Поскольку азокрасители являются опасными промышленными загрязнителями, для наблюдения за общим механизмом биоразложения была использована метапротеомика. Штаммы Pseudomonas Burkholderia, Enterobacter, Lactococcus и Clostridium были идентифицированы с помощью метагеномного секвенирования, и было обнаружено, что многие бактериальные белки проявляют деградирующую активность. Эти белки, идентифицированные с помощью метапротеомики, включают белки, участвующие в цикле ТСА, гликолизе и дегидрировании альдегидов. Идентификация этих белков привела ученых к предположению потенциальных путей деградации азокрасителей у Pseudomonas и Burkholderia . [18]
В целом метапротеомика применима не только к исследованиям здоровья человека, но и к исследованиям окружающей среды, включающим потенциально вредные загрязнители.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Дилл Б.Д. и др. (2010). «Метапротеомика: методы и приложения». Экологическая молекулярная микробиология . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-52-3 .
- ^ Марко, Д., изд. (2010). Метагеномика: теория, методы и приложения . Кайстер Академик Пресс. ISBN 978-1-904455-54-7 .
- ^ Родригес-Валера, Ф. 2004. Геномика окружающей среды, общая картина? ФЭМС Микробиол. Летт. 231:153-158.
- ^ Уилмс, П. и П.Л. Бонд. 2006. Метапротеомика: изучение функциональной экспрессии генов в микробных экосистемах. Тенденции Микробиол. 14:92-97.
- ^ Кляйнер, Мануэль (21 мая 2019 г.). «Метапротеомика: гораздо больше, чем просто измерение экспрессии генов в микробных сообществах» . mSystems . 4 (3): e00115–19, /msystems/4/3/msys.00115–19.atom. дои : 10.1128/mSystems.00115-19 . ISSN 2379-5077 . ПМК 6529545 . ПМИД 31117019 .
- ^ О'Фаррелл, PH Двумерный электрофорез белков высокого разрешения. Ж. Биол. хим. 250, 4007–4021 (1974).
- ^ Клозе, Дж. Картирование белков путем комбинированного изоэлектрического фокусирования и электрофореза тканей мыши. Новый подход к тестированию индуцированных точковых мутаций у млекопитающих. Гумангенетика 26, 231–243 (1975).
- ^ Грассль, Никлас; Кулак, Нильс Александр; Пихлер, Гарвин; Гейер, Филипп Эмануэль; Юнг, Джетте; Шуберт, Серен; Синицын, Павел; Кокс, Юрген; Манн, Матиас (01 января 2016 г.). «Сверхглубокий и количественный протеом слюны раскрывает динамику микробиома полости рта» . Геномная медицина . 8 (1): 44. дои : 10.1186/s13073-016-0293-0 . ISSN 1756-994Х . ПМЦ 4841045 . ПМИД 27102203 .
- ^ Клатт, Николь Р.; Чу, Райан; Бирс, Кензи; Зевин, Александр С.; Пернер, Мишель; Ноэль-Ромас, Лаура; Гроблер, Аннеке; Вестмакотт, Гарретт; Се, Ирен Ю.; Батлер, Дженнифер; Мансур, Лейла; Маккиннон, Лайл Р.; Пассмор, Джо-Энн С.; Абдул Карим, Каррайша; Абдул Карим, Салим С.; Бургенер, Адам Д. (1 июня 2017 г.). «Вагинальные бактерии изменяют эффективность микробицида тенофовира при ВИЧ у африканских женщин». Наука . 356 (6341): 938–945. Бибкод : 2017Sci...356..938K . дои : 10.1126/science.aai9383 . hdl : 10413/15137 . ПМИД 28572388 . S2CID 206653631 .
- ^ Зевин, Александр С.; Се, Ирен Ю.; Бирс, Кензи; Арнольд, Келли; Ромас, Лаура; Вестмакотт, Гарретт; Новак, Ричард М.; Маккорристер, Стюарт; Маккиннон, Лайл Р.; Коэн, Крейг Р.; Макельпранг, Ромель; Лингаппа, Джайрам; Лауффенбургер, Дуг А.; Клатт, Николь Р.; Бургенер, Адам Д. (22 сентября 2016 г.). «Состав и функции микробиома приводят к нарушению заживления ран в женских половых путях» . ПЛОС Патогены . 12 (9): e1005889. дои : 10.1371/journal.ppat.1005889 . ПМК 5033340 . ПМИД 27656899 .
- ^ Бирс, Кензи Д.; Ромас, Лаура М.; Гатри, Брэндон Л.; Нильссон, Питер; Босире, Роуз; Киари, Джеймс; Фаркуар, Кэри; Бролиден, Кристина; Бургенер, Адам Д. (23 декабря 2016 г.). «Признаки повреждений гениталий и изменения микробиома, связанные с использованием депо-медроксипрогестерона ацетата и практикой интравагинальной сушки» . Журнал инфекционных болезней . 215 (4): 590–598. дои : 10.1093/infdis/jiw590 . ПМЦ 5388302 . ПМИД 28011908 .
- ^ Лонг, Шупинг; Ян, И; Шен, Чэнпин; Ван, Ивэнь; Дэн, Аньмей; Цинь, Цинь; Цяо, Лян (декабрь 2020 г.). «Метапротеомика характеризует функцию микробиома кишечника человека при колоректальном раке» . npj Биопленки и микробиомы . 6 (1): 14. дои : 10.1038/s41522-020-0123-4 . ISSN 2055-5008 . ПМК 7093434 . ПМИД 32210237 .
- ^ Сюн, Вейли; Браун, Кристофер Т.; Моровиц, Майкл Дж.; Банфилд, Джиллиан Ф.; Хеттих, Роберт Л. (декабрь 2017 г.). «Метапротеомная характеристика развития микробиоты кишечника недоношенных детей с разрешением генома выявляет видоспецифичные метаболические сдвиги и изменчивость в раннем возрасте» . Микробиом . 5 (1): 72. дои : 10.1186/s40168-017-0290-6 . ISSN 2049-2618 . ПМК 5504695 . ПМИД 28693612 .
- ^ Майер, Таня В.; Лусио, Марианна; Ли, Лан Хо; ВерБеркмос, Натан К.; Брислоун, Колин Дж.; Бернхардт, Йорг; Ламенделла, Регина; Макдермотт, Джейсон Э.; Бержерон, Натали; Хайнцманн, Силке С.; Мортон, Джеймс Т. (08 ноября 2017 г.). Моран, Мэри Энн (ред.). «Влияние пищевого резистентного крахмала на микробиом, метапротеом и метаболом кишечника человека» . мБио . 8 (5): e01343–17, /mbio/8/5/e01343–17.atom. дои : 10.1128/mBio.01343-17 . ISSN 2150-7511 . ПМК 5646248 . ПМИД 29042495 .
- ^ Цзя, Сюань; Си, Бэй-Доу; Ли, Мин-Сяо; Ян, Ян; Ван, Юн (17 августа 2017 г.). Ян, Шихуэй (ред.). «Метапротеомический анализ функциональных представлений о микробных сообществах комбинированного производства водорода и метана путем анаэробной ферментации из тростниковой соломы» . ПЛОС ОДИН . 12 (8): e0183158. Бибкод : 2017PLoSO..1283158J . дои : 10.1371/journal.pone.0183158 . ISSN 1932-6203 . ПМК 5560556 . ПМИД 28817657 .
- ^ Лалу, Эндрю Э.; Вэй, Джастин; Ван, Дунбо; Нараянасами, Шаман; Ванвонтергем, Инка; Уэйт, Дэвид; Стин, Джейсон; Кайсен, Энн; Хайнц-Бушар, Анна; Ван, Цилинь; Шульц, Бенджамин; Нувенс, Аманда; Уилмс, Пол; Гугенгольц, Филип; Юань, Чжиго; Бонд, Филип Л. (1 мая 2018 г.). «Механизмы устойчивости аммиакокисляющих бактерий Nitrosomonas к биоцидной свободной азотистой кислоте». Экологические науки и технологии . 52 (9): 5386–5397. Бибкод : 2018EnST...52.5386L . дои : 10.1021/acs.est.7b04273 . ПМИД 29620869 .
- ^ Ли, Шаньшань; Ху, Шаода; Ши, Саньюань; Рен, Лу; Ян, Вэй; Чжао, Хуабин (2019). «Микробное разнообразие и метапротеомный анализ реакции активного ила на воздействие нафталина и антрацена» . РСК Прогресс . 9 (40): 22841–22852. Бибкод : 2019RSCAd...922841L . дои : 10.1039/C9RA04674G . ISSN 2046-2069 . ПМЦ 9116109 . ПМИД 35702527 .
- ^ ; Лю, Яньбяо; Ван, Цун, Цзюньхао Тугоплавкий краситель: метагеномное и метапротеомное исследование . Чжан, Цинъюнь ; ; 256 : 113456. doi : 10.1016/j .envpol.2019.113456 .PMID 31784270 S2CID 208498137 .
| Поля | |
|---|---|
| Биоинформатика | |
| Структурная биология | |
| Инструменты исследования | |
| Организации |
|
