Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Метапротеомика (также общественная протеомика , экологическая протеомика или общественная протеогеномика ) - это общий термин для экспериментальных подходов к изучению всех белков в микробных сообществах и микробиомах из источников окружающей среды . Метапротеомика используется для классификации экспериментов, связанных со всеми белками, идентифицированными и количественно определенными в сложных микробных сообществах. Подходы к метапротеомике сравнимы с геномикой окружающей среды или метагеномикой . [1] [2]

Происхождение термина [ править ]

Термин «метапротеомика» был предложен Франсиско Родригес-Валера для описания генов и / или белков, наиболее широко экспрессируемых в образцах окружающей среды. [3] Термин произошел от слова «метагеном». 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 [ править ]

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 ампликон гена 16S рРНК или метагеном. последовательность действий. [5]

Протеомика микробных сообществ [ править ]

Первый протеомный эксперимент был проведен с изобретением электрофореза в двумерном полиакриламидном геле (2D-PAGE). [6] [7] 1980-е и 1990-е годы были отмечены развитием протеомики, основанной на масс-спектрометрии и масс-спектрометрии. Современная протеомика микробного сообщества использует как разделение на основе геля (одномерное и двумерное), так и разделение на основе негелевой жидкостной хроматографии , где оба основаны на идентификации пептидов на основе масс-спектрометрии.

Хотя протеомика в значительной степени основана 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. Благодаря объединенным возможностям подходов «сверху вниз» и «снизу вверх» протеомика может проводить исследования, начиная от количественного определения экспрессии генов в зависимости от условий роста (пищевые, пространственные, временные или химические) до информации о структуре белков . [1]

Метапротеомическое исследование микробиома ротовой полости человека выявило 50 родов бактерий с использованием протеомики 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, идентифицировав 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, метапротеомные 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 [ править ]

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 окислительный 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 Enterococcus и Klebsiella , а затем заселен облигатными анаэробами, такими как Clostridium , Bifidobacterium и Bacteroides . 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 диету 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 гуанинтрансферазы. 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 [ править ]

Метапротеомика оказалась особенно полезной при идентификации микробов, участвующих в различных процессах биоразложения. Исследование 2017 года, проведенное Jia et. al. продемонстрировал применение метапротеомики для изучения профилей экспрессии белков у 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 таксонах Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria и Bacteroidetes . Эти конкретные белки участвуют в метаболизме углеводов, липидов и аминокислот. Участвующими белками архей являются ацетил-КоА-декарбоксилаза и метил-кофермент М-редуктаза, обнаруженные вMethanosarcina . Эти белки участвуют в биохимических процессах, включая утилизацию уксусной кислоты, сокращение 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 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. [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. Штаммы Pseudomonas Burkholderia, Enterobacter, Lactococcus и Clostridium были идентифицированы с помощью метагеномного секвенирования, и было обнаружено, что многие бактериальные белки проявляют разрушающую 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 предположению о возможных путях разложения азокрасителей у Pseudomonas и Burkholderia . [17]

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

См. Также [ править ]

  • Метатранскриптомика

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Dill BD, et al. (2010). «Метапротеомика: методы и приложения». Молекулярная микробиология окружающей среды . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-52-3.
  2. ^ Марко, D (редактор) (2010). Метагеномика: теория, методы и приложения . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-54-7.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  3. ^ Родригес-Валера, Ф. 2004. Экологическая геномика, большая картина? FEMS Microbiol. Lett. 231: 153-158.
  4. ^ Вильмес П., PL Bond. 2006. Метапротеомика: изучение функциональной экспрессии генов в микробных экосистемах. Trends Microbiol. 14: 92-97.
  5. ^ Кляйнер, Мануэль (21.05.2019). «Метапротеомика: гораздо больше, чем просто измерение экспрессии генов в микробных сообществах» . mSystems . 4 (3): e00115–19, /msystems/4/3/msys.00115–19.atom. DOI : 10,1128 / mSystems.00115-19 . ISSN 2379-5077 . PMC 6529545 . PMID 31117019 .   
  6. ^ О'Фаррелл, PH 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 и количественный протеом слюны показывает динамику микробиома полости рта» . Геномная медицина . 8 (1): 44. DOI : 10,1186 / s13073-016-0293-0 . ISSN 1756-994X . PMC 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. DOI : 10.1126 / science.aai9383 . ЛВП : 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, Крэйг Р .; Маккельпранг, Ромель; Лингаппа, Джайрам; Lauffenburger, Doug A .; Klatt, Nichole R .; Бургенер, Адам Д. (22 сентября 2016 г.). «Состав и функция микробиома приводят к ухудшению заживления ран в женских половых путях» . PLOS Патогены . 12 (9): e1005889. DOI : 10.1371 / journal.ppat.1005889 . PMC 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 интравагинальной сушки» . Журнал инфекционных болезней . 215 (4): 590–598. DOI : 10.1093 / infdis / jiw590 . PMC 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. DOI : 10.1038 / s41522-020-0123-4 . ISSN 2055-5008 . PMC 7093434 . PMID 32210237 .   
  13. ^ Сюн, Вейли; Браун, Кристофер Т .; Моровиц, Майкл Дж .; Банфилд, Джиллиан Ф .; Hettich, Роберт Л. (декабрь 2017 г.). «Разрешенная геномом метапротеомная характеристика развития кишечной микробиоты недоношенных новорожденных выявляет видоспецифические метаболические сдвиги и вариабельность в раннем возрасте» . Микробиом . 5 (1): 72. DOI : 10,1186 / s40168-017-0290-6 . ISSN 2049-2618 . PMC 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» . mBio . 8 (5): e01343–17, /mbio/8/5/e01343–17.atom. DOI : 10,1128 / mBio.01343-17 . ISSN 2150-7511 . PMC 5646248 . PMID 29042495 .   
  15. ^ Цзя, Сюань; Си, Бэй-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. DOI : 10.1371 / journal.pone.0183158 . ISSN 1932-6203 . PMC 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. DOI : 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. DOI : 10.1016 / j.envpol.2019.113456 .