Метапротеомика
Метапротеомика (исто така протеомика на заедницата, протеомика на животната средина или протеогеномика на заедницата) ― широк поим за опитни пристапи за проучување на сите белковини во микробните заедници и микробиоми од извори на животната средина. Метапротеомиката е користена за класификација на опити кои се занимаваат со сите белковини идентификувани и квантифицирани од сложени микробни заедници. Пристапите на метапротеомика се споредливи со геноцентричната геномика која е за животната средина, или метагеномика.[1][2]
Потекло на поимот
уредиПоимот „метапротеомика“ бил предложен од Франсиско Родригез-Валера за да ги опише гените и/или белковините најобемно изразени во примероците од животната средина.[3] Поимот е изведен од „метагеном“. Вилмс и Бонд го предложиле поимот „метапротеомика“ за карактеризација на големи размери на целиот белковински комплемент на микробиотата на животната средина во даден временски период.[4] Во исто време, поимите „протеогеномика на микробната заедница“ и „протеогеномика на микробната заедница“ понекогаш се користени наизменично за различни видови опити и резултати.
Прашања кои се однесуваат на метапротеомиката
уредиМетапротеомиката им овозможува на научниците подобро да ги разберат генските функции на организмите, бидејќи гените во ДНК се транскрибирани во информациска РНК која потоа се преведува во белковина. Промените на генското изразување затоа може да бидат следени преку овој метод. Понатаму, белковините претставуваат клеточна активност и структура, така што користењето метапротеомика во истражувањето може да доведе до функционални информации на молекуларно ниво. Метапротеомиката, исто така, може да биде користена како алатка за проценка на составот на микробната заедница во однос на придонесот од биомаса на поединечни членови видови во заедницата и на тој начин може да ги надополни пристапите кои го проценуваат составот на заедницата врз основа на бројот на копии на гените, како што е генски ампликон или метагеномско секвенционирање на 16S рибозомна РНК.[5]
Протеомика на микробни заедници
уредиПрвиот протеомски опит бил спроведен со пронајдокот на дводимензионална електрофореза на полиакриламид гел.[6][7] Во 1980-тите и 1990-тите години, е забележан развој на масена спектрометрија и на масена спектрометрија заснована на протеомика. Сегашната протеомика на микробната заедница користи и раздвојување засновано на гел (еднодимензионално и дводимензионално) и негелска течна хроматографија, каде што и двете се потпираат на масена спектрометрија заснована идентификација на пептид.
Додека протеомиката во голема мера е пристап заснован на откритија кој е проследен со други молекуларни или аналитички техники за да биде обезбедена целосна слика за предметниот систем, таа не е ограничена на едноставно каталогизирање на белковините присутни во примерокот. Со комбинираните можности на пристапите „одозгора надолу“ и „одоздола-нагоре“, протеомиката може да бара прашања кои се движат од квантитација на генското изразување помеѓу условите за раст (без разлика дали се хранливи, просторни, временски или хемиски) до структурни информации за белковините.[1]
Едно метапротеомско истражување на човечкиот устен микробиом откри 50 бактериски родови со помош на протеомика со техниката „сачмарка“. Резултатите се согласиле со Проектот за човечки микробиом, пристап заснован на метагеном.[8]
Слично на тоа, метапротеомските пристапи биле користени во поголеми клинички студии кои го поврзуваат бактерискиот протеом со здравјето на луѓето. Неодамнешниот труд користел протеомика со „сачмарка“ за да го карактеризира вагиналниот микробиом, идентификувајќи 188 уникатни бактериски видови кај 688 испитани жени.[9] Оваа студија ги поврзала групите на вагиналниот микробиом со ефикасноста на местните антиретровирусни лекови за спречување на стекнување ХИВ кај жените, што се припишува на бактерискиот метаболизам на лекот во живо. Покрај тоа, метапротеомските пристапи биле користени за проучување на други гледишта на вагиналниот микробиом, вклучувајќи ги имунолошките и воспалителните последици од вагиналната микробна дисбиоза,[10] како и влијанието на хормоналните контрацептиви врз вагиналниот микробиом.[11]
Метапротеомика и човечки цревни микробиом
уредиНастрана од устните и вагиналните микробиоми, неколку студии за цревниот микробиом користеле метапротеомски пристапи. Студија од 2020 година направена од Лонг и колегија, покажала, користејќи метапротеомски пристапи, дека патогенезата на ракот на дебелото црево може да се должи на промените во цревниот микробиом. Неколку белковини испитани во оваа студија биле поврзани со внесот и преносот на железо, како и со оксидативниот стрес, бидејќи високата содржина на железо во цревата и оксидативниот стрес се показател за ракот на дебелото црево.[12]
Друга студија направена во 2017 година од Ксионг и колегите, користела метапротеомика заедно со метагеномика во анализата на промените во цревниот микробиом за време на човечкиот развој. Ксионг и колегите откриле дека микробиомот на цревата кај доенчињата може првично да биде населен со факултативни анаероби како Enterococcus и Klebsiella, а потоа подоцна населен со задолжителни анаероби како Clostridium, Bifidobacterium и Bacteroides. Додека микробиомот на човечкото црево било променувано со текот на времето, микробните метаболички функции останаа доследни, вклучувајќи јаглехидрати, аминокиселини и метаболизам на нуклеотиди.[13]
Слична студија направена во 2017 година од Мајер и колегите комбинирана метапротеомика со метагеномика и метаболомика за да бидат прикажат ефектите на отпорниот скроб врз човечкиот цревен микробиом. Откако испитаниците конзумирале исхрана со висока содржина на отпорен скроб, откриено било дека неколку микробиолошки белковини се изменети како што се бутират киназа, еноил коензим А (еноил-КоА) хидратаза, фосфотрансацетилаза, аденилосуцинат синтаза, аденин фосфорибозилтрансфераза и гуфорибозилтрансфераза. Човечките субјекти доживеале зголемување на колипазата, панкреатичната триглицеридна липаза, изобилството на липаза стимулирана од жолчната сол, додека исто така доживеале намалување на α-амилазата.[14]
Севкупно, метапротеомиката има стекнато огромна популарност во студиите за човечки цревни микробиоми бидејќи довела до важни откритија во областа на здравјето.
Метапротеомиката во студиите за микробиомите во животната средина
уредиМетапротеомиката е особено корисна во идентификацијата на микробите вклучени во различни постапки на биоразградување. Студија од 2017 година направена од Џија и колегите, ја покажала примената на метапротеомиката во испитувањето на профилите на белковинско изразување на микроорганизмите што произведуваат биогориво. Според оваа студија, бактериските и археалните белковини биле вклучени во производството на биогорива добиени од водород и метан. Вклучени бактериски белковини се фердоксин-NADP редуктаза, ацетат киназа и NADH-хинон оксидоредуктаза пронајдени во таксоните Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria и Bacteroidetes. Овие одредени белковини се вклучени во метаболизмот на јаглени хидрати, липиди и аминокиселини. Вклучени археални белковини се ацетил-CoA декарбоксилаза и метил-коензим М редуктаза пронајдени во Methanosarcina. Овие белковини учествуваат во биохемиските патишта кои вклучуваат искористување на оцетна киселина, намалување на CO2 и употреба на метилни хранливи материи.[15]
Првиот квантификациски метод за метапротеомика бил пријавен од Лало и колегите во 2018 година, на инженерски биолошки реактор збогатен за бактерии кои оксидираат амонијак и нитрити.[16] Овде авторите користеле робустен метод за квантификација SWATH-MS (потреба за протеини 5μg) за проучување на промената на нивоата на изразување на протеинот до нарушена состојба. Студијата забележала дека промените во белковинското изразување на доминантните видови, т.е. бактериите кои оксидираат на амонијак, биле јасно забележани, но тоа не било така за бактериите кои оксидираат нитрити, кои биле пронајдени во мало изобилство.
Студија од 2019 година од Ли и колегите ја покажале употребата на метапротеомика во набљудувањето на белковинското изразување на гени за разградување на полициклични ароматични јаглеводороди. Авторите на оваа студија конкретно се насочиле на идентификување на разградливите микробни заедници во активната тиња за време на третманот на отпадните води, бидејќи полицикличните ароматични јаглеводороди се високо распространети загадувачи на отпадните води. Тие покажале дека бактериите Burkholderiales се силно вклучени во разградувањето на полицикличните ароматични јаглеводороди и дека бактериските белковини се вклучени во репликацијата на ДНК, метаболизмот на масни киселини и гликоза, одговорот на стресот, синтезата на белковини и метаболизмот на ароматични јаглеводороди.[17]
Слична студија направена во 2020 година од Џанг и колегите, вклучувало метапротеомско профилирање на микроорганизми кои разградуваат азо боја. Бидејќи азо боите се опасни индустриски загадувачи, метапротеомиката била користена за да биде набљудуван севкупниот механизам на биоразградување. Соевите на Pseudomonas Burkholderia, Enterobacter, Lactococcus и Clostridium биле идентификувани со помош на метагеномско секвенционирање со „сачмарка“, и било откриено дека многу бактериски белковини покажуваат разградувачка активност. Овие белковини идентификувани со употреба на метапротеомика ги вклучуваат оние кои се вклучени во циклусот на трикарбоксилната киселина, гликолизата и алдехидната дехидрогенизација. Затоа, идентификацијата на овие белковини ги навела научниците да предложат потенцијални патишта за разградување на азо бојата во Pseudomonas и Burkholderia.[18]
Сè на сè, метапротеомиката е применлива не само за студии за човековото здравје, туку и за студии за животната средина кои вклучуваат потенцијално штетни загадувачи.
Поврзано
уредиНаводи
уреди- ↑ 1,0 1,1 Dill BD, и др. (2010). „Metaproteomics: Techniques and Applications“. Environmental Molecular Microbiology. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-52-3.
- ↑ Marco, D, уред. (2010). Metagenomics: Theory, Methods and Applications. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-54-7.
- ↑ Rodriguez-Valera, F. 2004. Environmental genomics, the big picture? FEMS Microbiol. Lett. 231:153-158.
- ↑ Wilmes, P., and P. L. Bond. 2006. Metaproteomics: studying functional gene expression in microbial ecosystems. Trends Microbiol. 14:92-97.
- ↑ Kleiner, Manuel (2019-05-21). „Metaproteomics: Much More than Measuring Gene Expression in Microbial Communities“. mSystems (англиски). 4 (3): e00115–19, /msystems/4/3/msys.00115–19.atom. doi:10.1128/mSystems.00115-19. ISSN 2379-5077. PMC 6529545. PMID 31117019.
- ↑ O'Farrell, P. H. High resolution two-dimensional electrophoresis of proteins. J. Biol. Chem. 250, 4007–4021 (1974).
- ↑ Klose, J. Protein mapping by combined isoelectric focusing and electrophoresis of mouse tissues. A novel approach to testing for induced point mutations in mammals. Humangenetik 26, 231–243 (1975).
- ↑ Grassl, Niklas; Kulak, Nils Alexander; Pichler, Garwin; Geyer, Philipp Emanuel; Jung, Jette; Schubert, Sören; Sinitcyn, Pavel; Cox, Juergen; Mann, Matthias (2016-01-01). „Ultra-deep and quantitative saliva proteome reveals dynamics of the oral microbiome“. Genome Medicine. 8 (1): 44. doi:10.1186/s13073-016-0293-0. ISSN 1756-994X. PMC 4841045. PMID 27102203.
- ↑ Klatt, Nichole R.; Cheu, Ryan; Birse, Kenzie; Zevin, Alexander S.; Perner, Michelle; Noël-Romas, Laura; Grobler, Anneke; Westmacott, Garrett; Xie, Irene Y. (1 јуни 2017). „Vaginal bacteria modify HIV tenofovir microbicide efficacy in African women“. Science. 356 (6341): 938–945. Bibcode:2017Sci...356..938K. doi:10.1126/science.aai9383. PMID 28572388.
|hdl-access=бара|hdl=(help) - ↑ Zevin, Alexander S.; Xie, Irene Y.; Birse, Kenzie; Arnold, Kelly; Romas, Laura; Westmacott, Garrett; Novak, Richard M.; McCorrister, Stuart; McKinnon, Lyle R. (22 септември 2016). „Microbiome Composition and Function Drives Wound-Healing Impairment in the Female Genital Tract“. PLOS Pathogens. 12 (9): e1005889. doi:10.1371/journal.ppat.1005889. PMC 5033340. PMID 27656899.
- ↑ Birse, Kenzie D.; Romas, Laura M.; Guthrie, Brandon L.; Nilsson, Peter; Bosire, Rose; Kiarie, James; Farquhar, Carey; Broliden, Kristina; Burgener, Adam D. (23 декември 2016). „Genital injury signatures and microbiome alterations associated with depot medroxyprogesterone acetate usage and intravaginal drying practices“. Journal of Infectious Diseases. 215 (4): 590–598. doi:10.1093/infdis/jiw590. PMC 5388302. PMID 28011908.
- ↑ Long, Shuping; Yang, Yi; Shen, Chengpin; Wang, Yiwen; Deng, Anmei; Qin, Qin; Qiao, Liang (декември 2020). „Metaproteomics characterizes human gut microbiome function in colorectal cancer“. npj Biofilms and Microbiomes (англиски). 6 (1): 14. doi:10.1038/s41522-020-0123-4. ISSN 2055-5008. PMC 7093434. PMID 32210237.
- ↑ Xiong, Weili; Brown, Christopher T.; Morowitz, Michael J.; Banfield, Jillian F.; Hettich, Robert L. (декември 2017). „Genome-resolved metaproteomic characterization of preterm infant gut microbiota development reveals species-specific metabolic shifts and variabilities during early life“. Microbiome (англиски). 5 (1): 72. doi:10.1186/s40168-017-0290-6. ISSN 2049-2618. PMC 5504695. PMID 28693612.
- ↑ Maier, Tanja V.; Lucio, Marianna; Lee, Lang Ho; VerBerkmoes, Nathan C.; Brislawn, Colin J.; Bernhardt, Jörg; Lamendella, Regina; McDermott, Jason E.; Bergeron, Nathalie (2017-11-08). Moran, Mary Ann (уред.). „Impact of Dietary Resistant Starch on the Human Gut Microbiome, Metaproteome, and Metabolome“. mBio (англиски). 8 (5): e01343–17, /mbio/8/5/e01343–17.atom. doi:10.1128/mBio.01343-17. ISSN 2150-7511. PMC 5646248. PMID 29042495.
- ↑ Jia, Xuan; Xi, Bei-Dou; Li, Ming-Xiao; Yang, Yang; Wang, Yong (2017-08-17). Yang, Shihui (уред.). „Metaproteomics analysis of the functional insights into microbial communities of combined hydrogen and methane production by anaerobic fermentation from reed straw“. PLOS ONE (англиски). 12 (8): e0183158. Bibcode:2017PLoSO..1283158J. doi:10.1371/journal.pone.0183158. ISSN 1932-6203. PMC 5560556. PMID 28817657.
- ↑ Laloo, Andrew E.; Wei, Justin; Wang, Dongbo; Narayanasamy, Shaman; Vanwonterghem, Inka; Waite, David; Steen, Jason; Kaysen, Anne; Heintz-Buschart, Anna (1 мај 2018). „Mechanisms of Persistence of the Ammonia-Oxidizing Bacteria Nitrosomonas to the Biocide Free Nitrous Acid“. Environmental Science & Technology. 52 (9): 5386–5397. Bibcode:2018EnST...52.5386L. doi:10.1021/acs.est.7b04273. PMID 29620869.
- ↑ Li, Shanshan; Hu, Shaoda; Shi, Sanyuan; Ren, Lu; Yan, Wei; Zhao, Huabing (2019). „Microbial diversity and metaproteomic analysis of activated sludge responses to naphthalene and anthracene exposure“. RSC Advances (англиски). 9 (40): 22841–22852. Bibcode:2019RSCAd...922841L. doi:10.1039/C9RA04674G. ISSN 2046-2069. PMC 9116109 Проверете ја вредноста
|pmc=(help). PMID 35702527 Проверете ја вредноста|pmid=(help). - ↑ Zhang, Qingyun; Xie, Xuehui; Liu, Yanbiao; Zheng, Xiulin; Wang, Yiqin; Cong, Junhao; Yu, Chengzhi; Liu, Na; Sand, Wolfgang (јануари 2020). „Co-metabolic degradation of refractory dye: A metagenomic and metaproteomic study“. Environmental Pollution (англиски). 256: 113456. doi:10.1016/j.envpol.2019.113456. PMID 31784270.