宏蛋白组学是应用蛋白组学技术对微生物群落进行研究的一项新技术，在特定时间对微生物群落的所有蛋白组的组成进行大规模的鉴定。所研究种类非常多样化，比如活性淤泥中的微生物，海洋微生物，土壤中的微生物，发酵食品中的微生物，肠道微生物，粪便、黏膜腔等。

宏蛋白质组分析的基础来自于宏基因组测序的结果，其数据库来源主要通过两种手段：通过16s测序得到大体物种组成后在公共数据库中提取相应物种序列数据库进行整合；或者通过全基因组/转录组测序等手段深度测序样品中的DNA/转录组信息。

样品制备要点 

1.微生物组组成复杂、体系含有大量杂质，蛋白质提取需要针对性优化；

2.同一样品中的微生物组性质不同，需要不同的提取和裂解方案(革兰氏阴性菌/阳性菌）；

3.外源性动物植物、人源蛋白、储存过程中其他来源的微生物污染；

4.从复杂样品中提取蛋白的难度较大，极容易大量损失蛋白或提取失败；

5.蛋白丰度跨度大，需要一套复杂有效的分离分析实验策略。

质谱检测

1.微生物组包含微生物种类繁多，蛋白丰度跨度大；

2.对质谱的扫描速度、分辨率、质量精度要求高；

3.一些常用的定量蛋白组技术可能出现不兼容。

数据搜索

1.缺乏微生物组蛋白数据库;

2.样品中的许多微生物至今未被鉴定,所以不管是依赖metaproteomIcs数据库还是公共数据库,都是不完整的

3.构建的数据库过大,会增加错误率

4.为了达到较高的蛋白鉴定率,同时会获取海量的谱图及使用巨大的数据库,导致数据分析时间漫长

5.由于微生物种群间的序列相似度较高,目前没有可能将肽段准确的归属到完全特定的物种定量时,由于以上问题的存在,导致定量结果的整合更加困难

技术路线

技术优势

1.相关领域专业技术团队；

2.自主研发改进的具有技术优势的操作方法；

3.多种微生物案例经验累积；

4.人才济济的生物信息分析团队。

应用领域

生物医药：肠道菌群与重大疾病关系研究

微生物领域：致病机理，耐药机制，病原体-宿主相互作用研究等； 

临床诊断：生物标志物，疾病机理机制，疾病分型，精准治疗等。

宏蛋白组学案例解析

宏蛋白组学表征结直肠癌患者肠道微生物群功能

Metaproteomics characterizes human gut microbiome function in colorectal cancer

研究对象：大肠癌患者粪便             期刊：NPJ Biofilms Microbiomes

影响因子：7.067                            发表单位：上海复旦大学

研究背景

结直肠癌(CRC)的发病与肠道微生物群的改变有关。以往的研究主要集中在宏基因组学丰度的变化上。与健康人群相比，CRC患者肠道细菌功能的变化仍然是未知的。本文作者收集了CRC患者和健康志愿者的粪便样本，并采用定量宏蛋白质组学对他们的微生物进行表征。

样本策略：大肠癌患者以及健康对照者粪便

技术策略：TMT标记定量

结果速递

1.收集到的大肠癌患者和健康志愿者的粪便样本，借助宏蛋白质组定量标记的策略对微生物组进行表征，完成了30,062个肠道微生物蛋白的和195个微生物属的鉴定。在这些蛋白质中，发现341个大肠癌患者和健康志愿者的丰度显着不同，其中涉及：铁摄入/转运、氧化应激、DNA复制、重组和修复相关的微生物蛋白，这与CRC患者大肠内高浓度的铁和高氧化应激密切相关。

2.在14对CRC患者/健康人的341个高度差异蛋白微生物蛋白中：124个在大肠癌患者中更为丰富，217个则在健康对照组中表现更为丰富。P/H变化倍数（FC）最大的10个蛋白来自嗜臭杆菌属、真细菌属、亚种嗜臭杆菌属、拟杆菌属和瘤胃球菌属，以及梭状芽孢杆菌属。嗜臭杆菌中变化蛋白涉 及 DNA 结 合 、 DNA 整 合 和 DNA 重 组 。 P/H 变 化 倍 数（ FC）最 小 的 10种 蛋 白 质 来 自 普 氏 菌 、 拟 杆 菌 、Lachnospira、厚壁菌、副细菌、Gordonibacter和梭菌， 如下图。这些蛋白质与蛋白质折叠、跨膜转运、天冬酰胺代谢、RNA结合或脂多糖合成有关。

3.蛋白数据与过去关于红肉摄入导致大肠癌风险增加的报道高度一致，同时清除游离铁可以抑制结直肠癌细胞的生长。另外，CRC患者肠腔高铁浓度促进活性氧（ROS）的产生，导致高氧化应激。肠道细菌中超氧化物歧化酶（SODs）的浓度增加。过量的ROS可引起肠上皮细胞和益生菌DNA损伤，加速CRC的发生发展。

过去关于微生物组的表征分析主要集中在宏基因组的结论中，对大肠癌患者肠道菌群功能的变化仍然未知；本次研究为复杂疾病与微生物关系的认知打开了一个新的视野。

参考文献

Long Shuping,Yang Yi,Shen Chengpin et al. Metaproteomics characterizes human gut microbiome function in colorectal cancer.[J] .NPJ Biofilms Microbiomes, 2020, 6: 14.