Метапротеомика - Metaproteomics

Метапротеомика (также Сообщество протеомики, Экологическая протеомика, или же Сообщество протеогеномики) является общим термином для экспериментальных подходов к изучению всех белки в микробных сообществах и микробиомы из относящийся к окружающей среде источники. Метапротеомика используется для классификации экспериментов, связанных со всеми белками, идентифицированными и количественно определенными в сложных микробных сообществах. Подходы метапротеомики сравнимы с геноцентрическим экологическим геномика, или же метагеномика.[1][2]

Происхождение термина

Термин «метапротеомика» был предложен Франсиско Родригес-Валера для наиболее широкого описания генов и / или белков. выразил в образцах окружающей среды.[3] Термин произошел от слова «метагеном». Уилмс и Бонд предложили термин «метапротеомика» для крупномасштабной характеристики всего белкового комплекса окружающей среды. микробиота в данный момент времени.[4] В то же время термины «протеомика микробного сообщества» и «протеогеномика микробного сообщества» иногда используются взаимозаменяемо для разных типов экспериментов и результатов.

Вопросы, решаемые метапротеомикой

Метапротеомика позволяет ученым лучше понять функции генов организмов, поскольку гены в ДНК транскрибируются в мРНК, которая затем транслируется в белок. Таким образом, с помощью этого метода можно отслеживать изменения экспрессии генов. Кроме того, белки представляют клеточную активность и структуру, поэтому использование метапротеомики в исследованиях может привести к функциональной информации на молекулярном уровне. Метапротеомика также может использоваться в качестве инструмента для оценки состава микробного сообщества с точки зрения вкладов биомассы отдельных видов-членов в сообщество и, таким образом, может дополнять подходы, которые оценивают состав сообщества на основе количества копий генов, таких как ген 16S рРНК. ампликон или секвенирование метагенома [5].

Протеомика микробных сообществ

Первый протеомика был проведен эксперимент с изобретением двумерный электрофорез в полиакриламидном геле (2D-СТРАНИЦА).[6][7] 1980-е и 1990-е годы были отмечены развитием масс-спектрометрии и протеомика на основе масс-спектрометрии. Современная протеомика микробного сообщества использует как гелевые (одномерные и двумерные), так и негелевые жидкостная хроматография на основе разделения, где оба полагаются на идентификацию пептидов на основе масс-спектрометрии.

Хотя протеомика в значительной степени основывается на открытиях, за которыми следуют другие молекулярные или аналитические методы для получения полной картины исследуемой системы, она не ограничивается простой каталогизацией белков, присутствующих в образце. С объединенными возможностями "сверху вниз" и "вверх дном" подходов, протеомика может преследовать запросы, начиная от количественного экспрессия гена между условиями роста (питательными, пространственными, временными или химическими) и структурная информация белка.[1]

Метапротеомическое исследование микробиома ротовой полости человека выявило 50 родов бактерий, использующих протеомика дробовика. Результаты согласуются с проектом «Микробиом человека», метагеномным подходом.[8]

Точно так же подходы метапротеомики использовались в более крупных клинических исследованиях, связывающих бактериальный протеом со здоровьем человека. В недавней статье использовалась протеомика дробовика для характеристики микробиома влагалища, выявлено 188 уникальных видов бактерий у 688 женщин.[9]. Это исследование связывало группы вагинального микробиома с эффективностью местных антиретровирусных препаратов для предотвращения заражения ВИЧ у женщин, что было приписано бактериальному метаболизму препарата in vivo. Кроме того, метапротеомические подходы использовались для изучения других аспектов микробиома влагалища, включая иммунологические и воспалительные последствия микробного дисбактериоза влагалища.[10], а также влияние гормональных контрацептивов на микробиом влагалища[11].

Метапротеомика и микробиом кишечника человека

Помимо микробиомов полости рта и влагалища, в нескольких исследованиях микробиома кишечника использовались метапротеомические подходы. Исследование 2020 года, проведенное Long et. al. показал, используя метапротеомные подходы, что патогенез колоректального рака может быть обусловлен изменениями в микробиоме кишечника. Некоторые белки, исследованные в этом исследовании, были связаны с потреблением и транспортировкой железа, а также с окислительным стрессом, поскольку высокое содержание железа в кишечнике и оксидативный стресс указывают на колоректальный рак. [12].

Другое исследование, проведенное в 2017 году Xiong et. al. использовали метапротеомику наряду с метагеномикой при анализе изменений микробиома кишечника в процессе развития человека. Xiong et. al. обнаружили, что микробиом кишечника младенца может быть изначально заселен факультативными анаэробами, такими как Энтерококк и Клебсиелла, а затем заселены облигатными анаэробами, такими как Clostridium, Бифидобактерии, и Бактероиды. В то время как микробиом кишечника человека со временем менялся, метаболические функции микробов оставались неизменными, включая метаболизм углеводов, аминокислот и нуклеотидов. [13].

Аналогичное исследование, проведенное в 2017 году Maier et. al. сочетали метапротеомику с метагеномикой и метаболомикой, чтобы показать влияние резистентного крахмала на микробиом кишечника человека. После того, как субъекты потребляли диеты с высоким содержанием резистентного крахмала, было обнаружено, что некоторые микробные белки были изменены, такие как бутираткиназа, еноил-кофермент А (еноил-КоА) гидратаза, фосфотрансацетилаза, аденилосукцинатсинтаза, аденинфосфорибозилтрансферазы и гуанинтрансфоразы. У людей наблюдалось повышение уровня колипазы, триглицерид липазы поджелудочной железы, изобилие липазы, стимулированной 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.

Метапротеомика в исследованиях микробиома окружающей среды

Метапротеомика оказалась особенно полезной для идентификации микробов, участвующих в различных процессах биоразложения. Исследование 2017 года, проведенное Jia et. al. продемонстрировал применение метапротеомики для изучения профилей экспрессии белков микроорганизмов, продуцирующих биотопливо. Согласно этому исследованию, белки бактерий и архей участвуют в производстве водорода и биотоплива на основе метана. Бактериальные белки - это ферредоксин-НАДФ-редуктаза, ацетаткиназа и НАДН-хинон-оксидоредуктаза, обнаруженные в Фирмикуты, протеобактерии, актинобактерии и Bacteroidetes таксоны. Эти конкретные белки участвуют в метаболизме углеводов, липидов и аминокислот. Участвующие в этом белки архей - ацетил-КоА-декарбоксилаза и метил-кофермент М-редуктаза, обнаруженные в Methanosarcina. Эти белки участвуют в биохимических процессах, включая утилизацию уксусной кислоты, снижение выбросов CO2 и использование метильных питательных веществ. [15].

Исследование, проведенное Li et. al. продемонстрировал использование метапротеомики в наблюдении белковой экспрессии 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 Burkholderiales бактерии 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. [16].

Аналогичное исследование, проведенное в 2020 году Zhang et. al. включал метапротеомное профилирование азокрасителей микроорганизмов. Поскольку азокрасители являются опасными промышленными загрязнителями, метапротеомика использовалась для наблюдения за общим механизмом биоразложения. Pseudomonas Burkholderia, Enterobacter, Lactococcus и Clostridium штаммы были идентифицированы с использованием метагеномного секвенирования дробовика, и было обнаружено, что многие бактериальные белки проявляют деградационную активность. Эти белки, идентифицированные с помощью метапротеомики, включают те, которые участвуют в цикле TCA, гликолизе и дегидрировании альдегида. Таким образом, идентификация этих белков привела ученых к предложению потенциальных путей разложения азокрасителей в Псевдомонады и Burkholderia [17].

В общем, метапротеомика применима не только к исследованиям здоровья человека, но и к исследованиям окружающей среды с участием потенциально опасных загрязнителей.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Dill BD, et al. (2010). «Метапротеомика: методы и приложения». Молекулярная микробиология окружающей среды. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-52-3.
  2. ^ Марко, Д. (редактор) (2010). Метагеномика: теория, методы и приложения. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-54-7.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  3. ^ Родригес-Валера, Ф. 2004. Экологическая геномика, общая картина? FEMS Microbiol. Lett. 231: 153-158.
  4. ^ Wilmes, P., and P. L. Bond. 2006. Метапротеомика: изучение функциональной экспрессии генов в микробных экосистемах. Trends Microbiol. 14: 92-97.
  5. ^ 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 / мСистем.00115-19. ISSN  2379-5077. ЧВК  6529545. PMID  31117019.
  6. ^ О'Фаррелл, П. Х. Двумерный электрофорез белков с высоким разрешением. J. Biol. Chem. 250, 4007–4021 (1974).
  7. ^ Клозе, Дж. Картирование белков с помощью комбинированного изоэлектрического фокусирования и электрофореза тканей мыши. Новый подход к тестированию индуцированных точечных мутаций у млекопитающих. Humangenetik 26, 231–243 (1975).
  8. ^ Грассл, Никлас; Кулак, Нильс Александр; Пихлер, Гарвин; Гейер, Филипп Эмануэль; Юнг, Джетт; Шуберт, Серен; Синицын, Павел; Кокс, Юрген; Манн, Матиас (01.01.2016). «Сверхглубокий количественный протеом слюны показывает динамику микробиома полости рта». Геномная медицина. 8 (1): 44. Дои:10.1186 / s13073-016-0293-0. ISSN  1756-994X. ЧВК  4841045. PMID  27102203.
  9. ^ Klatt, Nichole R .; Чеу, Райан; Бирс, Кензи; Зевин, Александр С .; Пернер, Мишель; Ноэль-Ромас, Лаура; Гроблер, Аннеке; Вестмакотт, Гарретт; Xie, Irene Y .; Батлер, Дженнифер; Мансур, Лейла; McKinnon, Lyle R .; Пассмор, Джо-Энн С .; Абдул Карим, Куаррайша; Абдул Карим, Салим С .; Бургенер, Адам Д. (1 июня 2017 г.). «Влагалищные бактерии изменяют эффективность микробицида тенофовира ВИЧ у африканских женщин». Наука. 356 (6341): 938–945. Дои:10.1126 / science.aai9383. HDL:10413/15137. PMID  28572388.
  10. ^ Зевин, Александр С .; Xie, Irene Y .; Бирс, Кензи; Арнольд, Келли; Ромас, Лаура; Вестмакотт, Гарретт; Новак, Ричард М .; МакКорристер, Стюарт; McKinnon, Lyle R .; Коэн, Крейг Р .; Маккельпранг, Ромель; Лингаппа, Джайрам; Lauffenburger, Doug A .; Klatt, Nichole R .; Бургенер, Адам Д. (22 сентября 2016 г.). «Состав и функции микробиома вызывают ухудшение заживления ран в женских половых путях». Патогены PLOS. 12 (9): e1005889. Дои:10.1371 / journal.ppat.1005889. ЧВК  5033340. PMID  27656899.
  11. ^ Бирс, Кензи Д .; Ромас, Лаура М .; Guthrie, Brandon L .; Нильссон, Питер; Bosire, Роза; Киари, Джеймс; Фаркуар, Кэри; Бролиден, Кристина; Бургенер, Адам Д. (23 декабря 2016 г.). «Сигнатуры травм половых органов 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. ЧВК  5388302. PMID  28011908.
  12. ^ Лонг, Шупинг; Ян, Йи; Шен, Чэнпин; Ван, Ивэнь; Дэн, Аньмэй; 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 / с41522-020-0123-4. ISSN  2055-5008. ЧВК  7093434. PMID  32210237.
  13. ^ Сюн, Вейли; Браун, Кристофер Т .; Моровиц, Майкл Дж .; Банфилд, Джиллиан Ф .; Hettich, Роберт Л. (декабрь 2017 г.). «Метапротеомная характеристика развития кишечной микробиоты недоношенных новорожденных с определенным геномом выявляет видоспецифические метаболические сдвиги и вариабельность в раннем возрасте». Микробиом. 5 (1): 72. Дои:10.1186 / s40168-017-0290-6. ISSN  2049-2618. ЧВК  5504695. PMID  28693612.
  14. ^ Майер, Таня В .; Лучио, Марианна; Ли, Ланг Хо; VerBerkmoes, Nathan C .; Brislawn, Colin J .; Бернхардт, Йорг; Ламенделла, Регина; Макдермотт, Джейсон Э .; Бержерон, Натали; Heinzmann, Silke S .; Мортон, Джеймс Т. (8 ноября 2017 г.). Моран, Мэри Энн (ред.). «Влияние диетического резистентного крахмала на микробиом кишечника человека, метапротеом и метаболом». мБио. 8 (5): e01343–17, /mbio/8/5/e01343–17.atom. Дои:10,1128 / мБио.01343-17. ISSN  2150-7511. ЧВК  5646248. PMID  29042495.
  15. ^ Цзя, Сюань; Си, Бей-Доу; Ли, Мин-Сяо; Ян, Ян; Ван, Юн (2017-08-17). Ян, Шихуэй (ред.). «Метапротеомический анализ функциональных представлений о микробных сообществах комбинированного производства водорода и метана путем анаэробной ферментации из тростниковой соломы». PLOS ONE. 12 (8): e0183158. Дои:10.1371 / journal.pone.0183158. ISSN  1932-6203. ЧВК  5560556. PMID  28817657.
  16. ^ 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». RSC Advances. 9 (40): 22841–22852. Дои:10.1039 / C9RA04674G. ISSN  2046-2069.
  17. ^ Чжан, Цинъюнь; Се, Сюэхуэй; Лю, Яньбяо; Чжэн, Сюлинь; Ван, Ицинь; Конг, Цзюньхао; Ю, Чэнчжи; Лю, На; Санд, Вольфганг; Лю, Цзяньше (январь 2020 г.). «Ко-метаболическая деградация тугоплавкого красителя: метагеномное и метапротеомное исследование». Загрязнение окружающей среды. 256: 113456. Дои:10.1016 / j.envpol.2019.113456.