背景

2006年，Wilmes和Bond定義了"宏蛋白質(zhì)組學"（metaproteomics）這一術語，用于描述在特定時間、特定環(huán)境中微生物群落所有蛋白質(zhì)的全面分析。微生物細胞中蛋白質(zhì)大約占細胞干重的50%。這些蛋白質(zhì)是細胞生物過程的基本功能單元，采用宏蛋白質(zhì)組學技術可以對復雜樣本中微生物組的蛋白質(zhì)組成進行分析，對理解微生物組功能非常重要。

在16s、宏基因組、宏轉錄組等“宏組學”系列產(chǎn)品的基礎上，針對微生物組研究推出全新產(chǎn)品“深度宏蛋白質(zhì)組”，通過全新Astral質(zhì)譜平臺對微生物組的蛋白質(zhì)進行高通量定性和定量分析，實現(xiàn)萬級超高深度蛋白鑒定，并提供菌群注釋、蛋白定量分析、蛋白功能注釋、差異蛋白分析和高級分析等豐富的生信分析結果，助力揭示復雜樣本中微生物種群與共生協(xié)作關系。深度宏蛋白質(zhì)組學可以把微生物群落的基因信息和功能信息進行關聯(lián)，揭示群體中發(fā)揮關鍵作用的微生物和與其相關的蛋白質(zhì)功能，在“腸腦軸”、發(fā)病機制研究、疾病分型研究等多領域具有廣泛的應用。

技術路線

深度宏蛋白質(zhì)組的主要步驟包括：微生物組樣本總蛋白提取、肽段酶解、質(zhì)譜采集、數(shù)據(jù)分析、生信分析和實驗報告等。具體實驗流程如下圖所示：

圖1 深度宏蛋白質(zhì)組的技術路線

產(chǎn)品優(yōu)勢

（1）萬級超高深度蛋白鑒定——更深度挖掘復雜樣本的蛋白質(zhì)全貌

拜譜生物通過對樣本前處理、質(zhì)譜上機和數(shù)據(jù)搜庫等全流程優(yōu)化，實測項目蛋白鑒定數(shù)量突破10000+，實現(xiàn)復雜微生物樣本宏蛋白質(zhì)組的深度鑒定。

圖2 實測項目蛋白鑒定數(shù)量

（2）豐富的生信分析結果——更全面揭示蛋白質(zhì)功能檔案

采用HMP官方數(shù)據(jù)庫，注釋信息更全，并提供菌群注釋、蛋白定量分析、蛋白功能注釋、差異蛋白分析和高級分析等豐富的生信分析結果，助力全面揭示宏蛋白質(zhì)組功能檔案。

圖3 深度宏蛋白質(zhì)組生信分析內(nèi)容（部分）

（3）全新Astral質(zhì)譜平臺——更高通量，更高靈敏度，更精準定量

采用賽默飛最新尖端LC-MS/MS質(zhì)譜平臺—Orbitrap Astral，實現(xiàn)高通量、高靈敏度的蛋白定性定量，適用于大隊列樣本的宏蛋白質(zhì)組學深度分析。

應用案例

一、“腸腦軸”研究

文獻名稱：Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice

發(fā)表期刊：Cell Host & Microbe，IF=30.3, 2023

技術方法：16S rRNA+宏蛋白質(zhì)組學+代謝組學

樣本類型：嬰兒糞便、小鼠糞便

研究內(nèi)容：

研究人員采用宏蛋白質(zhì)組學對嬰兒糞便進行分析，結果發(fā)現(xiàn)認識能力低的嬰兒糞便腸道菌群富含參與細胞內(nèi)運輸分泌和囊泡運輸?shù)牡鞍踪|(zhì)，而認識能力高的嬰兒糞便腸道菌群中參與碳水化合物運輸和代謝的蛋白質(zhì)有增加的趨勢，其中組氨酸酶（HutH）是認識能力高的嬰兒糞便宏白質(zhì)組中唯一顯著富集的蛋白質(zhì)。HutH水平的差異以及不同的糞便和尿液組氨酸代謝組與嬰兒認知有關。此外，通過嬰兒供體的腸道菌群糞便移植的記憶功能可以傳播給無菌小鼠，認識能力較好的嬰兒供體移植小鼠富含Phocaeicola, Bacteroides和Bifidobacterium等與認識能力有關的細菌。

圖4 嬰兒腸道菌群的宏蛋白質(zhì)組學富集分析

二、發(fā)病機制研究

文獻名稱：Multi-omics analyses of the ulcerative colitis gut microbiome link Bacteroides vulgatus proteases with disease severity

發(fā)表期刊：Nature Microbiology，IF=18.9, 2022

技術方法：宏蛋白質(zhì)組+宏基因組+代謝組

樣本類型：潰瘍性結腸炎（UC）患者糞便和血清

研究內(nèi)容：

為了了解宿主-微生物群的相互作用在潰瘍性結腸炎（UC）中發(fā)揮的作用，研究人員從40名UC患者中收集并分析了基于糞便或血清的宏蛋白質(zhì)組、宏基因組和代謝組等多組學數(shù)據(jù)集。結果表明，臨床活躍的UC患者中有一個亞群有來自普通擬桿菌（B. vulgatus）的蛋白酶過多，一些擬桿菌屬的蛋白酶可能參與UC的發(fā)病機制。擬桿菌屬是腸道中最豐富的物種之一，位于結腸的外粘膜層，在消化復合碳水化合物中起重要作用，這項研究推進了目前對B. vulgatus和 UC之間聯(lián)系的了解，B. vulgatus可能通過蛋白酶活性影響UC疾病嚴重程度，表明抑制B. vulgatus蛋白酶可能具有治療或預防UC的作用。

圖5 潰瘍性結腸炎腸道微生物組的多組學分析

三、疾病分型研究

文獻名稱：Location-specific signatures of Crohn's disease at a multi-omics scale

發(fā)表期刊：Microbiome，IF=16.8, 2022

技術方法：宏蛋白質(zhì)組+宏基因組+16s+代謝組

樣本類型：IBD患者和健康對照組的糞便

研究內(nèi)容：

研究人員通過多組學分析和宿主遺傳學方法定義克羅恩病（CD）的位置特征，結果表明單純的宏基因組學和宿主遺傳學都不能區(qū)分CD位置亞型，而使用基于質(zhì)譜的方法 (代謝組學、宏蛋白質(zhì)組學) 或結合多組學特征集，可以區(qū)分回腸和結腸CD。與回腸CD相比，結腸CD和潰瘍性結腸炎的特征集有驚人的相似，包括中性粒細胞相關蛋白的富集。與結腸CD相比，回腸CD圖譜顯示了初級和次級膽汁酸水平的增加，以及伴隨特征腸道菌群分類群的變化，如具有明顯的敏感性的普拉梭菌，對富含膽汁酸環(huán)境具有親和性的γ-變形菌和經(jīng)黏液真桿菌屬。該研究揭示了回腸CD和結腸CD的分子獨特性，證明了宏蛋白質(zhì)組學方法在疾病分型領域的重要作用。

圖6 宏蛋白質(zhì)組學分析揭示回腸和結腸CD的共同特征和獨特特征

送樣建議

備注：物種僅限人和小鼠，其他物種樣本建議先采用宏基因組數(shù)據(jù)建庫以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

拜譜生物小結

今年來，隨著質(zhì)譜技術的發(fā)展，高通量的“宏組學”方法在微生物組研究中得到了廣泛的應用，這些方法可以對微生物群體的有機體和功能進行分析，從而深刻理解宿主和微生物的互作關系以及微生物群落中個體的功能特征?；诖耍葑V生物全新推出了“深度宏蛋白質(zhì)組”，通過Astral質(zhì)譜平臺實現(xiàn)萬級超高深度蛋白鑒定的突破，并采用菌群注釋、蛋白定量分析、蛋白功能注釋、差異蛋白分析和高級分析等生信分析全面解碼微生物群落的“蛋白功能檔案”，進一步豐富了微生物“宏組學”體系。由此，拜譜生物可提供16s、宏基因組、宏轉錄組、深度宏蛋白質(zhì)組服務，實現(xiàn)了微生物群落豐度-基因-蛋白-功能的完整解析，為微生物組研究提供了無限可能，歡迎大家咨詢！

參考文獻：

1. Tomas C, Alicia RR, Inmaculada A, et al. Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice. Cell Host & Microbe. 2023, 31(12): 1974-1988. doi: 10.1016/j.chom.2023.11.004.

2. Robert HM, Parambir SD, Yoshiki VB, et al. Multi-omics analyses of the ulcerative colitis gut microbiome link Bacteroides vulgatus proteases with disease severity. Nat Microbiol. 2022, 7(2):262-276. doi: 10.1038/s41564-021-01050-3.

3. Carlos GG, Robert HM, Qiyun Z, et al. Location-specific signatures of Crohn's disease at a multi-omics scale. Microbiome. 2022, 24;10(1):133. doi: 10.1186/s40168-022-01331-x.