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蛋白质组学,糖基化蛋白质组学,多组学联合分析
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北京糖基化蛋白质组学——别让糖偷走你的口腔健康

2022-06-16 10:39:51

北京糖基化蛋白质组学带你了解别让糖偷走你的口腔健康。

人类口腔中有超过700种的微生物,主要存在于唾液、舌头和脸颊、牙齿表面和牙龈衬里下方的生物膜中。菌斑生物膜的形成不仅会引起许多系统性疾病,如:糖尿病、关节炎和心脏病;也会引起众多口腔疾病,如龋齿和牙周病(PD)。细菌在牙龈部位的累积,会导致斑块生物膜多样性增加,已有研究表明,连翘单胞菌、牙龈卟啉单胞菌和齿密螺旋体,在探测和探测深度上与牙龈出血相关,这是PD严重程度的两个常见标志。

糖尿病患者,尤其是血糖控制不佳的患者,患PD的风险更大。糖化血红蛋白(HbA1c)值越高,红色复合菌群的患病率越高。重要的是,PD与糖尿病之间的关系是双向的,治疗PD可以改善糖尿病患者的HbA1c值。因此,更好地了解患有和不患有PD的糖尿病患者的微生物种群及其微环境是减轻这两种疾病负面影响的重要目标。



北京糖基化蛋白质组学



文章是以糖尿病与牙周炎患者的口腔样本(牙菌斑)为例,研究了口腔微生物与宿主健康表现之间的联系。

样本及实验策略



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结果速递

01对样本进行微生物组、蛋白质组、脂质组和代谢组分析

患者按Pre-DM/DM(前糖尿病/糖尿病)和PD(牙周病)状态进行分类。一个菌斑样本用于16S rRNA测序,检测50752个OTUs(百分之99序列相似性;~2790/样本);两个菌斑样本用于基于MS的分析、蛋白质组学脂质组学代谢组学,从而分别鉴定出约2025个蛋白/样本、415个脂质和126个代谢物。众多代谢物里已有17种化合物已在人类粪便中检测到,或被注释为人类细胞代谢物,表明其可能来自人类、微生物或食物。脂质由磷脂-主要是磷脂酰胆碱(PC)、磷脂酰乙醇胺(PE)和磷脂酰甘油(PG)-以及TGs和神经酰胺组成。



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图1:样本收集和处理策略



02Pre-DM/DM 和 PD组表现出微生物种群的生态失调状况

文章对微生物种群进行了生物多样性分析研究。结果表明,样本内的多样性(称为α多样性)在斑块样本中各不相同(图2A),且随疾病状态而变化更大。同样,我们使用β多样性评估了样本间的多样性,发现Pre-DM/DM对β多样性的影响较小但显著。

为了确定哪些微生物物种与疾病显著相关,我们对超过百分之10的样本中观察到的OTU进行了线性回归分析。通过数据筛选,我们确定了56种在PD和非PD样本之间存在显著差异的微生物物种,以及36种在Pre-DM/DM和代谢健康状态之间存在显著差异的微生物物种。在PD中,我们观察到几种链球菌的相对丰度较低,甲基杆菌属、放线菌属、链球菌属、和弯曲杆菌属。比较DM前/DM组和代谢健康组,我们确定了36个显著不同的OTU。具体而言,属于梭杆菌属和单核菌属的微生物——典型的牙周病原体——在Pre-DM/DM中升高。



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图2:不同患者的斑块样本中微生物种群的多样性



03蛋白质组学和16S数据提供了关于微生物多样性的补充信息

文章比较了基于OTU的细菌鉴定与蛋白质组学确定的细菌鉴定的匹配程度计算了种、属和门的重叠程度。

通过比较16S数据和蛋白质组学数据,在属水平上的丰度测量显示出良好的一致性。蛋白质组学数据显示,放线菌和棒状杆菌的相对丰度更大,而在16S数据中,普雷沃氏菌、硒单胞菌、链球菌和细孔菌的相对丰度更高。



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图3:蛋白组学和16S数据的重叠程度



04PD患者的斑块中的生物分子表达量比较

文章发现234种蛋白质、76种脂质和6种代谢物与PD显著相关,46种蛋白质、6种脂质和1种代谢物与Pre-DM/DM显著相关。



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图4:生物分子表达量比较



05蛋白组学和代谢组学联合分析

蛋白质与代谢物和脂质之间存在明显的相关簇,表明蛋白质组与特定代谢物/脂质谱相关。

本研究中发现的具有更多疾病相关特征的蛋白质簇2和3不富含细菌蛋白质,而是富含人类源性蛋白质。这些人类衍生的蛋白质在GO中富集与酶调节器活性、肌动蛋白结合、受体结合和脂质结合相关。PD患者与非PD患者相比,斑块中肌动蛋白结合蛋白的显著升高可能是由于细菌入侵过程和牙齿内皮界面结构完整性的丧失。这些蛋白质也与许多胞浆基PC、PC和Cer的丰度密切相关,表明这些脂质也可能与宿主对疾病的反应有关。

多组学联合分析发现口腔奇异劳特普罗菌(Lautropiamirabilis)合成单甲基磷脂酰乙醇胺(PE-NMe),这是口腔微生物群中一种罕见的脂质。



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图5:代谢物和脂质与斑块蛋白的关联





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图6:PE-NMe与Lautropia属的关联



小结

本研究对PD和Pre-DM/DM个体的牙菌斑样本的微生物组、蛋白质组、脂质组和代谢组进行了多方面的比较分析。从代表3个疾病组和一个对照组的97个个体中平均每个菌斑检测到5277个特征,超过百分之7的检测到的特征与牙龈或代谢健康有疾病关联。

基于MS的组学技术可以进一步加强我们对宿主-微生物相互作用的理解,不仅能够监测蛋白质对微生物入侵的潜在反应,还可以监测这些宿主-微生物环境中的脂质变化,这有助于发现牙菌斑中宿主疾病、微生物脂质和饮食诱导的相关性,这些相关性对于加深我们对人类微生物群的理解至关重要。


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