微生物遍布整个世界，从人体肠道到遥远的深海，从肥沃的土壤到空气中的微粒。它们以群落的形式存在，每个群落中的成员可能多达数百种。虽然宏基因组学可以通过分析微生物群落的全部基因揭示特定群落的功能潜力，但直接检测蛋白质对理解微生物群落实际表达的功能更为重要。宏蛋白组学通过全面检测微生物群落所表达的蛋白质，可以提供关于微生物群落结构与功能的深入视角。
宏蛋白组学概念自2004年首次被提出以来，迄今为止，宏蛋白组学已经经过了20余年的发展历程，其在微生物组学研究领域应用变得越来越广泛，已经成为研究微生物群落功能的一项强大而有效的技术手段。
图1 宏蛋白质组技术里程碑式进展时间图[1]
宏蛋白组学的发展，得益于质谱技术的飞速进步。通过高精度的质谱分析，我们能够鉴定和定量样本中的成千上万种蛋白质，从而揭示微生物群落的复杂性和动态性。它帮助我们深入理解微生物群落如何在人类健康、疾病、环境生态中发挥作用。在医学领域，宏蛋白组学为疾病诊断和治疗提供了新的视角。例如，肠道微生物的宏蛋白组可以反映个体的健康状况，为炎症性肠病、癌症、糖尿病、神经系统性疾病等病症的研究和治疗提供了新线索。
从精准医疗到疾病机理探索，宏蛋白组学正引领医学研究新浪潮。接下来，通过几篇文章来看一下吧！
2024年1月，浙江省肿瘤医院程向东、徐志远课题组在《Microbiome》(IF=13.8)上发表了题目为“In-depth metaproteomics analysis of tongue coating for gastric cancer: a multicenter diagnostic research study”的研究论文。该研究通过宏蛋白组学技术对来自中国5个研究中心的180例胃癌患者和185例非胃癌患者的345例舌苔样本进行检测，得到1432种人源蛋白和12780种微生物蛋白，观察到胃癌患者舌苔角蛋白 KRT2 和 KRT9 的下调，以及 ABC转运蛋自COG1136的下调，表明舌黏膜的防御能力下降。使用舌苔中的50种微生物蛋白机器学习模型，用于筛选并识别胃癌高危个体，在临床独立验证队列研究中AUC达到了 0.91。
图2 基于微生物来源的舌苔蛋白的胃癌筛查模型
肠道菌群-肠-脑轴在调节大脑功能方面发挥着关键的作用，尤其在情绪处理和行为方面。2023年4月，北京理工大学和北京航空航天大学联合在《Microbiome》(IF=13.8)上发表了题目为“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。该研究 基于宏基因组学、宏蛋白组学、代谢组学技术探究肠道菌群与航天员心理变化的相关性，确定了4种潜在的精神益生菌，主要通过与神经系统功能相关的三个途径改善情绪，产生丙酸和丁酸等短链脂肪酸途径，其次调节氨基酸代谢途径和其他调节牛磺酸、皮质醇代谢途径。另外，23个蛋白与积极情绪呈显著正相关（P＜0.05），与消极情绪呈负相关（P＜0.05），且参与的有18条KEGG通路与相应的潜在精神益生菌相匹配。
图3 基于“月宫365”实验的多组学研究
2023年12月，意大利萨萨里大学生物医学系团队在《Gut Microbes》（IF=12.2）上发表题为“Metaproteomic assessment of gut microbial and host functional perturbations in Helicobacter pylori-infected patients subjected to an antimicrobial protocol”的研究论文。该研究对10名幽门螺杆菌感染的患者在四联疗法治疗前（T0）、治疗10天后（T1）和治疗结束后30天（T2）的粪便样本进行宏蛋白质组学检测分析，以探究在根除和愈合过程中肠道微生物（GM）和宿主功能的变化。治疗后，患者GM蛋白与宿主蛋白的比例发生显著逆转，GM产生短链脂肪酸（如乙酸、丙酸、丁酸）的功能受到影响，同时增强了与摄取和处理复杂糖类相关的蛋白活性。另外，治疗后于抗生素抗性和炎症相关的GM蛋白表达增加，于炎症及幽门螺旋杆菌相关致癌过程的宿主蛋白减少等。研究表明，抗菌治疗能重塑GM和宿主的功能，为开发维持肠道稳态的新型抗菌疗法提供了科学依据。
图4 宏蛋白质组学方案设计
肠道微生物群和神经发育之间存在关系，但潜在机制尚未确定。2023年12月，西班牙格拉纳达大学生物医药研究中心团队在《Cell Host & Microbe》（IF=20.6）发表题为“Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice”的研究论文。该研究通过16S rRNA测序、宏蛋白组学和代谢组学分析比较足月健康6个月婴儿肠道微生物群，通过将婴儿肠道微生物群移植到GF小鼠体内建立因果关系，并缩小到几个有可能影响行为结果的物种。宏蛋白组学分析，建立了肠道微生物组中表达的蛋白质与婴儿组氨酸代谢物和认知之间的联系。特别是，组氨酸氨裂解酶（histidine ammonia lyase, HutH）的活性与认知能力相关。表明“肠脑轴”在婴儿时期就起到至关重要的作用。
图5 婴儿肠道菌群影响小鼠认知能力
2023年7月，美国凯斯西储大学研究团队在《Microbiome》（IF=13.8）上发表题为“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。该研究通过多组学方法（蛋白质组+宏蛋白质组+代谢组）分析43例女性宫颈阴道样本，以表征宫颈及阴道炎症的宿主、免疫、功能微生物组和代谢组特征。该研究确定了与宫颈阴道炎症相关的关键分子和免疫学特征，包括较高的抗原呈递细胞（APCs）、细菌代谢和炎症相关的蛋白质组改变。由于APCs与HIV传播、分娩和宫颈癌进展有关，因此需要进一步研究去探索其中的复杂机制。
图6 宫颈阴道炎的贝叶斯网络分析
宏蛋白组学（Metaproteomics）技术核心对特定时间点上微生物群落的所有蛋白质进行大规模的定性和定量分析。它可以帮助我们深入理解微生物群落与宿主之间的相互作用，识别与疾病发生发展相关的微生物蛋白，为疾病标志物的筛选、致病菌功能状态的检测以及疾病治疗药物新靶点的发掘提供重要信息。
皇家马德里中文官网宏蛋白组学通过对微生物样本进行前处理，通过质谱技术规模化地采集微生物种群的蛋白质信息，提供一种直接反映微生物群落功能活性的研究手段。
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