Wu Enhui, Qiao Liang*
Sekcio de Kemio, Fudan University, Ŝanhajo 200433, Ĉinio
Mikroorganismoj estas proksime rilataj al homaj malsanoj kaj sano. Kiel kompreni la konsiston de mikrobaj komunumoj kaj iliaj funkcioj estas grava afero, kiun oni devas urĝe studi. En la lastaj jaroj, metaproteomiko fariĝis grava teknika rimedo por studi la konsiston kaj funkcion de mikroorganismoj. Tamen, pro la komplekseco kaj alta heterogeneco de mikrobaj komunumaj specimenoj, specimena pretigo, akiro de datumoj de mas-spektrometrio kaj analizo de datumoj fariĝis la tri gravaj defioj nuntempe konfrontitaj de metaproteomiko. En metaproteomika analizo, estas ofte necese optimumigi la antaŭtraktadon de malsamaj specoj de provaĵoj kaj adopti malsamajn mikrobajn apartigon, riĉigon, eltiron kaj lizkabalojn. Simila al la proteomo de ununura specio, la mas-spektrometriaj datenakirreĝimoj en metaproteomiko inkludas datendependan akirreĝimon (DDA) kaj daten-sendependan akirreĝimon (DIA). La reĝimo de akira datumoj de DIA povas tute kolekti la peptidajn informojn de la specimeno kaj havas grandan disvolvan potencialon. Tamen, pro la komplekseco de metaproteomprovaĵoj, ĝia DIA-datenanalizo fariĝis grava problemo kiu malhelpas la profundan priraportadon de metaproteomiko. Koncerne datuman analizon, la plej grava paŝo estas la konstruado de proteinsekvenca datumbazo. La grandeco kaj kompleteco de la datumbazo ne nur havas grandan efikon al la nombro da identigoj, sed ankaŭ influas la analizon ĉe la specio kaj funkciaj niveloj. Nuntempe, la ora normo por la konstruado de metaproteom datumbazo estas proteinsekvencodatumbazo bazita sur la metagenomo. Samtempe, la publika datumbaza filtra metodo bazita sur ripeta serĉo ankaŭ pruviĝis havi fortan praktikan valoron. De la perspektivo de specifaj datenanalizaj strategioj, peptid-centrigitaj DIA-datumaj analizmetodoj okupis absolutan ĉeftendencon. Kun la disvolviĝo de profunda lernado kaj artefarita inteligenteco, ĝi multe antaŭenigos la precizecon, kovradon kaj analizan rapidecon de makroproteoma datuma analizo. Koncerne al kontraŭflua bioinformatika analizo, serio de komentarioj estis evoluigitaj en la lastaj jaroj, kiuj povas elfari speciokotadon je la proteinnivelo, peptidnivelo kaj gennivelo por akiri la konsiston de mikrobaj komunumoj. Kompare kun aliaj omics metodoj, la funkcia analizo de mikrobaj komunumoj estas unika trajto de makroproteomiko. Makroproteomics fariĝis grava parto de multi-omika analizo de mikrobaj komunumoj, kaj daŭre havas grandan disvolvan potencialon laŭ priraportadprofundo, detektosentemo, kaj datumanalizkompleteco.
01Ekzempla antaŭtraktado
Nuntempe, metaproteomika teknologio estis vaste uzata en la esplorado de homa mikrobiomo, grundo, manĝaĵo, oceano, aktiva ŝlimo kaj aliaj kampoj. Kompare kun la proteoma analizo de ununura specio, la specimena antaŭtraktado de metaproteomo de kompleksaj provaĵoj alfrontas pli da defioj. La mikroba konsisto en realaj specimenoj estas kompleksa, la dinamika gamo de abundo estas granda, la ĉela muro strukturo de malsamaj specoj de mikroorganismoj estas tre malsama, kaj la specimenoj ofte enhavas grandan kvanton de gastigaj proteinoj kaj aliaj malpuraĵoj. Tial, en la analizo de metaproteomo, estas ofte necese optimumigi malsamajn specojn de provaĵoj kaj adopti malsamajn mikrobajn apartigon, riĉigon, eltiron kaj lizkabalojn.
La ekstraktado de mikrobaj metaproteomoj de malsamaj provaĵoj havas certajn similecojn same kiel kelkajn diferencojn, sed nuntempe ekzistas manko de unuigita antaŭ-pretigprocezo por malsamaj specoj de metaproteomeprovaĵoj.
02 Akiro de datumoj de mas-spektrometrio
En ĉaspafilo proteome-analizo, la peptidmiksaĵo post antaŭtraktado unue estas apartigita en la kromatografia kolono, kaj tiam eniras la mas-spektrometron por datenakiro post jonigo. Simila al unuspecia proteomanalizo, la mas-spektrometriaj datenakirreĝimoj en makroproteomanalizo inkludas DDA-reĝimon kaj DIA-reĝimon.
Kun la kontinua ripeto kaj ĝisdatigo de mas-spektrometriaj instrumentoj, masaj spektrometriaj instrumentoj kun pli alta sentemo kaj rezolucio estas aplikataj al metaproteome, kaj la priraporta profundo de metaproteome-analizo ankaŭ estas ade plibonigita. Dum longa tempo, serio de alt-rezoluciaj mas-spektrometriaj instrumentoj gviditaj fare de Orbitrap estis vaste uzitaj en metaproteome.
Tabelo 1 el la originalteksto montras kelkajn reprezentajn studojn pri metaproteomiko de 2011 ĝis la nuntempo laŭ provaĵospeco, analizstrategio, mas-spektrometria instrumento, akirmetodo, analiza softvaro, kaj nombro da identigoj.
03Analizo de datumoj de mas-spektrometria
3.1 Strategio pri analizo de datumoj de DDA
3.1.1 Serĉo en datumbazo
3.1.2de novosekvenca strategio
3.2 Strategio pri analizo de datumoj de DIA
04Specia klasifiko kaj funkcia komentario
La kunmetaĵo de mikrobaj komunumoj sur malsamaj taksonomaj niveloj estas unu el la esencaj esploraj areoj en mikrobiomesplorado. En la lastaj jaroj, serio de komentarioj estis evoluigitaj por komenti speciojn sur la proteinnivelo, peptidnivelo, kaj gennivelo por akiri la kunmetaĵon de mikrobaj komunumoj.
La esenco de funkcia komentario estas kompari la celproteinsekvencon kun la funkcia proteinsekvencodatumbazo. Uzante genfunkciajn datumbazojn kiel GO, COG, KEGG, eggNOG, ktp., malsamaj funkciaj komentadanalizoj povas esti faritaj sur proteinoj identigitaj per makroproteomoj. Komentarioj inkluzivas Blast2GO, DAVID, KOBAS, ktp.
05 Resumo kaj Perspektivo
Mikroorganismoj ludas gravan rolon en homa sano kaj malsano. En la lastaj jaroj, metaproteomiko fariĝis grava teknika rimedo por studi la funkcion de mikrobaj komunumoj. La analiza procezo de metaproteomiko estas simila al tiu de unu-specia proteomiko, sed pro la komplekseco de la esplorobjekto de metaproteomiko, specifaj esplorstrategioj devas esti adoptitaj en ĉiu analizpaŝo, de specimena antaŭtraktado, datenakiro ĝis datuma analizo. Nuntempe, danke al la plibonigo de antaŭtraktaj metodoj, la kontinua novigado de mas-spektrometria teknologio kaj la rapida evoluo de bioinformadiko, metaproteomiko faris grandan progreson en identiga profundo kaj aplika amplekso.
En la procezo de antaŭtraktado de makroproteomaj specimenoj, la naturo de la specimeno devas esti konsiderita unue. Kiel apartigi mikroorganismojn de mediaj ĉeloj kaj proteinoj estas unu el la ŝlosilaj defioj alfrontantaj makroproteomojn, kaj la ekvilibro inter disiga efikeco kaj mikroba perdo estas urĝa problemo por esti solvita. Due, la proteina eltiro de mikroorganismoj devas konsideri la diferencojn kaŭzitajn de la struktura heterogeneco de malsamaj bakterioj. Makroproteom-provaĵoj en la spurintervalo ankaŭ postulas specifajn antaŭtraktadajn metodojn.
Laŭ mas-spektrometriaj instrumentoj, ĉefaj mas-spektrometriaj instrumentoj spertis transiron de mas-spektrometroj bazitaj sur Orbitrap-masanaliziloj kiel ekzemple LTQ-Orbitrap kaj Q Exactive al mas-spektrometroj bazitaj sur jona moviĝeblo kunligita temp-de-fluga mas-analiziloj kiel ekzemple timsTOF Pro. . La timsTOF-serio de instrumentoj kun jona movebleca dimensia informo havas altan detektan precizecon, malaltan detektan limon kaj bonan ripeteblon. Ili iom post iom fariĝis gravaj instrumentoj en diversaj esplorkampoj kiuj postulas mas-spektrometrian detekton, kiel ekzemple la proteome, metaproteome, kaj metabolome de ununura specio. Indas noti, ke dum longa tempo, la dinamika gamo de mas-spektrometriaj instrumentoj limigis la proteinkovroprofundon de metaproteome-esplorado. En la estonteco, mas-spektrometriaj instrumentoj kun pli granda dinamika intervalo povas plibonigi la sentemon kaj precizecon de proteinidentigo en metaproteomoj.
Por mas-spektrometria datenakiro, kvankam la DIA-datenakirreĝimo estis vaste adoptita en la proteomo de ununura specio, la plej multaj nunaj makroproteome-analizoj daŭre uzas la DDA-daten-akirreĝimon. La reĝimo de akiro de datumoj de DIA povas plene akiri la informon pri fragmento de la specimeno, kaj kompare kun la reĝimo de akira datumoj de DDA, ĝi havas la eblon plene akiri la peptidajn informojn de la makroproteoma specimeno. Tamen, pro la alta komplekseco de DIA-datenoj, la analizo de DIA-makroproteom-datumoj ankoraŭ alfrontas grandajn malfacilaĵojn. La evoluo de artefarita inteligenteco kaj profunda lernado estas atendita plibonigi la precizecon kaj kompletecon de DIA-datum-analizo.
En la datenanalizo de metaproteomiko, unu el la ŝlosilaj paŝoj estas la konstruado de proteinsekvenca datumbazo. Por popularaj esploraj areoj kiel intesta flaŭro, intestaj mikrobaj datumbazoj kiel ekzemple IGC kaj HMP povas esti uzataj, kaj bonaj identigaj rezultoj estis atingitaj. Por la plej multaj aliaj metaproteomikaj analizoj, la plej efika datumbaza konstrustrategio daŭre estas establi provaĵospecifan proteinsekvencodatumbazon bazitan sur metagenomic-sekvencdatenoj. Por mikrobaj komunumprovaĵoj kun alta komplekseco kaj granda dinamika intervalo, estas necese pliigi la sekvencan profundon por pliigi la identigon de malalt-abundaj specioj, tiel plibonigante la priraportadon de la proteinsekvenca datumbazo. Kiam sekvencaj datenoj mankas, ripeta serĉmetodo povas esti uzita por optimumigi la publikan datumbazon. Tamen, ripeta serĉo povas influi FDR-kvalitan kontrolon, do la serĉrezultoj devas esti zorge kontrolitaj. Krome, la aplikebleco de tradiciaj FDR-kvalitkontrolmodeloj en metaproteomika analizo daŭre estas esplorinda. Laŭ serĉstrategio, la hibrida spektra bibliotekstrategio povas plibonigi la priraportadprofundon de DIA metaproteomiko. En la lastaj jaroj, la antaŭdirita spektra biblioteko generita surbaze de profunda lernado montris superan efikecon en DIA-proteomiko. Tamen, metaproteome-datumbazoj ofte enhavas milionojn da protein-kontribuoj, kio rezultigas grandskalon de antaŭviditaj spektraj bibliotekoj, konsumas multajn komputikresursojn, kaj rezultigas grandan serĉspacon. Krome, la simileco inter proteinsekvencoj en metaproteomoj varias multe, malfaciligante certigi la precizecon de la spektra biblioteko prognozomodelo, tiel antaŭdiritaj spektraj bibliotekoj ne estis vaste uzitaj en metaproteomics. Krome, novaj proteininferenco kaj klasifikaj komentadstrategioj devas esti evoluigitaj por validi por metaproteomics analizo de tre sekvenc-similaj proteinoj.
Resume, kiel emerĝanta mikrobioma esplorteknologio, metaproteomika teknologio atingis signifajn esplorrezultojn kaj ankaŭ havas grandegan disvolvan potencialon.
Afiŝtempo: Aŭg-30-2024