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微生物廣泛分布於自然界的各個角落，包括人體消化系統内的肠道菌群、深層海洋(yang)生態系統、營养豐富的土壤環境以及大氣中悬浮的微(wei)粒等多(duo)個生態位，展現(xian)出全球性的分布格局(ju)。这些微生(sheng)物通常以复雜的群落形式(shi)存在，單個群落内可能包含数百種不(bu)同的微生物物(wu)種，構成相互协作與(yu)竞(jing)争的動態生態系統。宏基因組(zu)學技術通過對微生物群落進行全面的基因序列分析(xi)，能够揭示群落内各成員的遗(yi)傳信息與潜在的代谢(xie)功能，為微生物群落的功能预測奠(dian)定(ding)基礎。
宏蛋白組學概念自2004年首次被(bei)提出(chu)以來，迄今為(wei)止，宏蛋白組學已經經過了20余年的(de)发展历程，其在微生物(wu)組學研究领域應用變得(de)越來越廣泛，已(yi)經成(cheng)為研究微生物群落功能的一項強大而有效的技術手段。
圖1 宏(hong)蛋白質組技術里(li)程碑式進展時間圖[1]
宏蛋(dan)白組學这一前(qian)沿學科的快速发展，根本上(shang)得益於質谱技術在灵敏度、分辨(bian)率和通量等多個維度的持續突破(po)。通過應用高精度的質谱(pu)分析儀器和相關分析方(fang)法，研究人員能够對樣本中的(de)成千上萬種蛋白質進行精準(zhun)的鉴定和定量檢測，進而深層揭示微生物群落所呈現的复雜性特征與動態變(bian)化(hua)規律。这種技術手段(duan)帮助科研工作者深入理解微生物(wu)群落在人類健康維持、疾(ji)病发生发展、環境生態平衡等多個關键领域中(zhong)所发挥的具體作用機製(zhi)。在医學(xue)和臨床领域(yu)，宏蛋白組學技術為傳統的(de)疾病诊断思路和治疗策略(lve)的创新提供了崭新的視角和切入點。
从(cong)精準医疗到疾病機理探索，宏蛋(dan)白組學正引领医(yi)學研究的创新方向，為臨床诊断與治疗(liao)決策提供了新的科學依據(ju)。
2024年1月，浙江省肿(zhong)瘤医院程向东、徐(xu)志远課題組在微生物組领域(yu)的高影響力期刊《Microbiome》(IF=13.8)上发(fa)表(biao)了題目為"In-depth metaproteomics analysis of tongue coating for gastric cancer: a multicenter diagnostic research study"的研究论文。该研究采用宏蛋白組學(xue)技術这一先進的蛋白質組(zu)分析方法，對來(lai)自中國5個研究中心(xin)的180例胃癌(ai)患者和(he)185例非胃癌患者的共345例舌苔(tai)樣本進行了深入的分子水平檢測(ce)。通過高通(tong)量蛋白質识別和定量分析，研究共(gong)获得了(le)1432種人源蛋白和12780種微生物蛋白的完整数據集(ji)。研究发現胃癌患者舌苔中角蛋(dan)白KRT2和KRT9表現出明顯的(de)下調現(xian)象，同時微生物來源的ABC轉運蛋白COG1136也出現(xian)了下調，这(zhe)些蛋白表達(da)异常反映出胃癌患者舌黏膜上皮屏障功能和黏膜防御能力的下降。基於这(zhe)些发現，研究人員構建了一個機器學習诊断模(mo)型，利用舌苔中的50種關键微(wei)生物蛋白作為特征變量進行胃(wei)癌風险評估，该模型在臨床独立驗證隊列研究中的曲線下(xia)面积(AUC)達到(dao)了0.91，表明该微生物蛋白組合具有较(jiao)高的胃癌(ai)筛查與鉴別诊断能力。
圖2 基於微生物來源的舌(she)苔蛋白的胃癌筛查模型
肠道菌群(qun)-肠-脑轴作為连接消化(hua)系統與中枢神經系統的重要(yao)生物通訊網絡，在調(diao)節(jie)大脑功能方面发挥着關键的作用，尤(you)其在情绪處理和行為方(fang)面表現出深層的生理學意義。2023年4月，北京(jing)理工大學和北京航空航(hang)天大學聯合在《Microbiome》(IF=13.8)上发(fa)表(biao)了題目為"Positive mood-related gut microbiota in a long-term closed environment: a multiomics study based on the "Lunar Palace 365" experiment"的研究论文，该论文在極端環境(jing)下對人類心理生理學的交互機製進(jin)行了系統探究。该研究基於宏基因組(zu)學(xue)、宏蛋(dan)白組學、代谢組學等(deng)多組學技術，深入(ru)探究肠(chang)道菌群與航天員心理變化的相關性，通過對长期(qi)密闭環境中宇航員的(de)微生物組数據、蛋白質谱系和代谢(xie)產物的綜合分析，確定了(le)4種潜在的精神益生菌(jun)，这些菌株主要(yao)通過與神經系統(tong)功能相關的三個途径改善情绪。其中，產生丙酸和丁酸等短(duan)鏈脂肪酸途径是首要機製，这(zhe)些脂肪酸可透過肠血脑屏障與(yu)神經元相互作用；其次(ci)調節氨基酸代谢途(tu)径，影響神經遞質(zhi)的合成與轉運；另外還通(tong)過調節牛磺(huang)酸、皮質(zhi)醇代谢途径发挥神經保護作用。
圖3 基於“月宮365”實(shi)驗的多(duo)組學研究
在2023年12月，意大利(li)萨萨里(li)大學生物医學系的研究團隊在國际高影響因子學術期刊《Gut Microbes》（IF=12.2）上成功(gong)发表(biao)了一篇題為"Metaproteomic assessment of gut microbial and host functional perturbations in Helicobacter pylori-infected patients subjected to an antimicrobial protocol"的(de)重要研究论文(wen)。该項研究工作针對幽門螺杆菌感染这一常见的(de)胃(wei)肠道病原體感染問題，采用宏蛋白質組學这一先進的蛋白質分析技術(shu)手段，對10名幽門螺杆菌感染患者的粪便樣(yang)本進行了(le)系統深入的檢測分析。研究人員分別在四聯疗法治疗前（T0）、治疗進行(xing)10天(tian)后（T1）以及治(zhi)疗(liao)完全結束后30天（T2）三個關键時(shi)間節點采集粪便樣本，以此來全面追蹤和探究在幽門螺杆菌根除和胃肠道黏膜愈合的整個(ge)過(guo)程中，肠道微生物群落（GM）與宿主自身功能的動態變化規律。研究(jiu)数(shu)據表明，經過(guo)抗菌治疗后，患者肠道(dao)中微生(sheng)物蛋白與宿主蛋白的含量比例发生了顯著的逆轉變化。具體而言，肠道微生物產生短鏈脂肪酸（包(bao)括乙(yi)酸、丙酸、丁酸等）的代谢功能遭受到了(le)明顯影(ying)響，而與摄取和處理复雜糖類物質相關(guan)的蛋白活性則呈現(xian)出增強的趨勢。此外，治疗后(hou)期還觀察到與抗生素抗性和炎症相關的微生物蛋白表達水平出(chu)現增加，與此同時，與炎症及幽門螺旋杆菌相關致癌過程密切相關的宿主蛋白表達則相(xiang)應(ying)减少。
圖4 宏蛋白質組學方(fang)案設計(ji)
肠道微生物群落的組成與(yu)婴幼儿神經发育之間存(cun)在密切的生物學關聯，但其具體的作用機製一直缺乏深入的科學驗證。2023年12月，西班牙格拉納達大學(xue)生物医药研究中心的研究團隊在國际顶級微(wei)生物學期刊《Cell Host & Microbe》（IF=20.6）上发表了題為(wei)"Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice"的研究论文，系統(tong)阐(chan)述了这一领域的新发現。该研究采(cai)用多層次的(de)分析手段，包括16S rRNA高通(tong)量測序技術(shu)、宏蛋白組學和代谢組學分(fen)析(xi)等方法，對足月出生的健康6個月(yue)大婴(ying)儿的肠道微生物群落進行了深入比较研究。為了(le)建立因果關系，研究人員(yuan)將婴儿肠道微生物群落移植到无菌小鼠(shu)（GF小鼠）體内進行功能性驗證(zheng)，並逐步聚焦到少数几個可能直接影響認知和行為結果的關键微生(sheng)物物種(zhong)。通過宏蛋白組(zu)學分析方法，研究建立了肠道微生物組所(suo)表達的蛋白質與婴儿體内組(zu)氨酸類代谢物之間的分子聯系，進而關聯到(dao)認知能(neng)力的发展。研究发現(xian)，特別是肠(chang)道微生物來源的組氨酸氨裂解(jie)酶（histidine ammonia lyase, HutH）的活性水平與認知能(neng)力呈現相關性(xing)，表明该酶活在認(ren)知发育過程中发挥重要的代谢調節(jie)作用。
圖5 婴(ying)儿肠道菌群影響小(xiao)鼠認知能力
2023年7月，美國凯斯西储大學研究團(tuan)隊(dui)在國际權威學術期刊《Microbiome》（影響因子IF=13.8）上发表了題為(wei)"Increased genital mucosal cytokines in Canadian women associate with higher antigen-presenting cells, inflammatory metabolites, epithelial barrier disruption, and the depletion of L.crispatus"的研究论文。该研究采用多組(zu)學聯(lian)合分析方法，整合蛋(dan)白質組學(xue)、宏(hong)蛋白質組學和代谢組(zu)學技術手段，對43例女性宮(gong)颈阴道樣本進行了深(shen)入分析，旨在系統表征宮颈及阴道炎症的宿(su)主(zhu)免疫應答特征、微生物群落結(jie)構特征和(he)代谢通路特征。通(tong)過多維度的組學数據整合，该研究(jiu)確定了與宮(gong)颈阴道炎症密切相關的關键分子標志物和免疫學特征，包括抗(kang)原呈遞細(xi)胞（APCs）水平升(sheng)高、細菌代谢產物變化以及炎症相關(guan)的宿(su)主蛋白質組改變等重要发現。鉴於抗原呈遞細胞與人免(mian)疫缺(que)陷病毒HIV的傳播機製、妊娠分娩過程以及宮(gong)颈癌的進展发展存在重要的(de)相關性，该研究強調了進一步深入探索其中复(fu)雜生物學機製的必要性，為優化女性生殖道健(jian)康管理策略提供了新的科(ke)學依據。
圖6 宮颈阴(yin)道炎的貝(bei)叶斯網絡分析
宏蛋(dan)白組學（Metaproteomics）技術核心對特定時間點(dian)上微生(sheng)物群落的所有蛋白質進行大規模的定性和定量分析。它可以帮助我們深入理(li)解微生(sheng)物群落與宿主之間的相互作用，识別與疾病发生发展相關(guan)的微生物蛋白，為疾病標志物的筛選、致病菌功(gong)能状態的檢測以及疾病治(zhi)疗药物新靶點的发掘提供重要信息。
青莲百奥宏蛋(dan)白組學基於微生物樣本的前處理工作(zuo)，運用質谱技術(shu)實現微生物種群蛋白質(zhi)信息的規模化采集，為微生物群落的功能活性(xing)研究提供了一種直接的、可(ke)量化(hua)的技術手段，相比傳統方法能更準(zhun)確地反映微生(sheng)物群體在實际環
參考文献：
吴恩慧、乔亮的研究工作在《色谱(pu)》雜志2024年第42卷第7期(qi)第658-668頁(ye)发表，系統阐述了(le)微生物宏蛋白質組學的關键技術環節，涵盖樣品處(chu)理(li)、数據采集及(ji)数(shu)據分析三個核心阶段，為(wei)微生物群(qun)落蛋
Chen J, Sun Y, Li J, and colleagues conducted a comprehensive metaproteomics investigation focused on the molecular composition of tongue coating samples as a potential diagnostic indicator for gastric cancer detection, presenting their findings through a mu
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