1、宏蛋白质组学研究溯源

“宏蛋白质组学”这个术语来源于“宏基因组”（metagenome），是由Francisco Rodríguez-Valera提出的，用来描述在环境样本中表达最多的基因和/或蛋白质[1]。Wilmes和Bond提出了“宏蛋白质组学”这一术语，用于在特定时间点对环境微生物群全部蛋白质进行大规模表征[2]，与此同时，术语“微生物群落蛋白质组学”和“微生物群落蛋白质基因组学”有时被用于不同类型的实验和结果。通过高分辨率“宏组学”的应用，能够解开体内和周围的“微生物暗物质”。高通量“宏组学”方法在微生物生态学中得到了广泛的应用，因为它们允许对自然菌群的有机体和功能的原位组成进行前所未有的深入了解。通过连接遗传潜能和最终表型，宏蛋白质组学(通常也称为群落蛋白质基因组学1)提供了解决驱动微生物生态系统功能的主要功能组件的能力。在过去的十年里，通过宏蛋白质组学在不同微生物菌群中的应用，我们了解了它们在不同环境中发生的关键功能性状。分析能力的初步进展非常迅速。虽然在2004年通过LC - MS/MS的de novo肽测序从2D-PAGE中仅能分离出3个蛋白质[3],一年后，这个数字已经被吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)和同事通过鸟枪LC‐MS/MS方法从一个微生物群落中识别出2000多个蛋白质，并通过对特定宏基因组数据库进行搜索得到的数据。以下将讨论一些具有代表性的宏蛋白质组学技术应用情景，其中包括活性污泥、酸性矿井排水生物膜、淡水和海水微生物群落、土壤、人体肠道微生物群、传统发酵饮食的几个代表性的宏蛋白质组学研究。通过这些案例研究，强调了宏蛋白质组学目前面临的挑战和可能的解决方案，以充分发挥其潜力，即在微生物群落组成、生理、功能、相互作用、生态和原位进化之间建立决定性的联系。

2、宏蛋白质组学文献

2.1.1 宏蛋白质组学文献简介

进入PubMed官网，以metaproteomics为关键词搜索，可以看到宏蛋白质组学研究近年增长迅速，仅2019年就有126篇文章发表。其中J Proteome Res.,Microbiome,Front Microbiol.,J Proteomics, Microorganisms这些杂志发表宏蛋白质组学文章最多。从词云图可以看出，宏蛋白质组研究范围很广，涉及从个体到环境、从陆地到水体等多个领域。

图1.PubMed宏蛋白质学发表文章数目统计

图2. 宏蛋白质组学文章发表杂志统计

图3. 宏蛋白质组文献关键词云

宏蛋白质学中文文献同样增长迅速，研究领域遍及胃肠道、口腔、酒曲、土壤、底泥、海洋等方面。

3、宏蛋白质组学研究案例

3.1 胃肠道

胃肠道微生物群可以说是研究得最好的宿主相关微生物群。胃肠道微生物群的研究主要是使用粪便样本，因为粪便样本容易获取的、且具有非侵入性。然而，宏蛋白质组学方法也被用于研究不同肠道部位的微生物黏膜-腔体界面[4]，并应用于炎症性肠病的队列研究[5]，尽管宏蛋白质组学的分辨率有限，还是显示了炎症和健康粘膜之间的强烈差异。
Verberkmoes等人在2008年对人类粪便微生物群进行了第一次深入的宏蛋白质组学研究[6]，该研究能够使每个样本鉴定多达1340个非冗余蛋白质。这项研究还证实了粪便宏蛋白质组学受到宿主蛋白的广泛影响，30%的检测图谱与人类蛋白数据库相匹配。因此，在检测前去除宿主细胞可以显著增加微生物蛋白质组的覆盖深度[7]。然而，这些人类蛋白质组的检测也可以提供很多信息。对克罗恩病患者和健康人的粪便样本的宏蛋白质组的比较，反映了之前的宏基因组研究结果，其中包括克罗恩病患者的粪便微生物群功能丰富度降低[8]。此外，研究发现，在克罗恩病患者和健康人之间，涉及肠上皮屏障功能的人类蛋白存在显著差异。
对宏基因组和宏蛋白质组数据的比较表明，不同类群的丰度和同一生物类群中已鉴定的蛋白质丰度是一致的，只有少数明显的例外，如高活性但低丰度的双歧杆菌[9]。同样的研究描述了一个核心宏蛋白质组的时间稳定性，类似于以前的宏基因组观察。然而，在抗生素治疗效果的多组学时间序列研究中观察到这种稳定状态的扰动[10]。这些研究表明，宏蛋白质组学有能力解决肠道相关菌群的临床相关活动，这些菌群与其他环境中的标志性蛋白(表1)可能在未来几年被开发为生物标志物。

3.2 土壤

土壤是最具挑战性的微生物生态系统之一[11, 12]，尤其对宏蛋白质组学研究来说。这由于下述几个原因：土壤成分对分析的干扰(如腐殖酸)、季节变化、空间复杂性和筑巢性，以及包括无脊椎动物和植物在内的不同大型生物的存在。土壤异质性导致了高度的多样性，尽管后者一直备受争议[13]，自从Gans等人[14]发表了每克土壤8x10⁶个不同分类单元的估计以来，最近的估计数字约为50000 [15]。尽管如此，鉴于蛋白质的多样性和总体复杂性，最近的研究强调了专门的蛋白质提取方法的必要性，其中蛋白质产量和可测量的蛋白质组多样性可以显著增加[16, 17]。
尽管存在上述困难，但土壤颗粒和森林土壤水是使用宏蛋白质组学方法研究的首批环境样本[18]。在后一项研究中，不同类群对蛋白质组贡献的差异与季节变化以及植被覆盖对森林地下水蛋白质组的状态和性质有关。此外，还鉴定了几种参与分解土壤颗粒中植物物质的酶类。凋落物的降解也是最近一项宏蛋白质组学研究的重点，该研究为凋落物分解过程中的演替提供了更深刻的见解，并使用先进的生物信息分析来解析提供最活跃的凋落物分解酶的分类群落[19]。
除植物物质的分解外，土壤微生物也与活的植物根系密切相关，从而大大提高了它们的生产力。植物与微生物的相互作用一直是宏蛋白质组学研究的主题。尤其值得一提的是，Bao等人最近结合了宏蛋白质组学的分析能力与CARD-FISH的空间分辨率，巧妙地将固氮和甲烷氧化与居住在水稻根维管束和表皮细胞中的甲基孢霉科细菌联系在一起[20]。
永冻土是一种独特的栖息地，拥有惊人的多样性的嗜冷微生物[21]，是最近一项综合宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学数据的综合性研究的对象。这项研究确定了冻土层微生物群中可能高表达的蛋白质，例如冷休克蛋白，以及更令人惊讶的功能，包括与生物运动性相关的蛋白质。然而，这种环境的独特性可能限制了通常的蛋白质组学范式，即蛋白质的存在表明其活性。因此，这种研究将受益于就地稳定同位素标记方法，这将允许随后确定标记的蛋白质及其与具有实际活动的群落成员的联系。

3.3 活性污泥

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活性污泥是工业化世界中最常见的废水处理形式，优化该过程需要对这些相对复杂的微生物生态系统有更好的了解。宏蛋白质组学起源于活性污泥研究，最初的研究是在实验室规模的系统上进行的-进行强化生物除磷(EBPR) [22, 23]。这些研究依赖于2D-PAGE蛋白分离，并通过LC-MS/MS和de novo肽测序对切除的蛋白进行鉴定。随着这些生态系统的宏基因组的出现，随后对EBPR的宏蛋白质组学研究更加深入，并且通过使用nano-LC进行肽分离，分析变得更加自动化。通过对涉及EBPR的优势菌的研究，揭示了与性能相关的关键功能。此外，酶变异的检测表明，一定程度的遗传多样性对EBPR的稳定性能很重要。这些研究还表明，在EBPR 中，在快速交替的厌氧阶段和有氧阶段之间，仅检测到微小的差异。因此，放射性标记的35S‐蛋氨酸仅用于检测EBPR期内新合成的蛋白。研究结果表明，乙醛酸循环在有氧阶段是重要的，这与之前对EBPR代谢的推测相反。在另一项研究中，可以检测到活性污泥蛋白质组的快速变化(在15分钟内)，这是对之前未见过的环境刺激物Cd暴露的反应。此外，在活性污泥中检测了宏蛋白质组学的灵敏度，当浓度约为千分之一的生物量时，可以检测到添加菌株的蛋白质。最后，对系统中不可或缺的胞外聚合物的宏蛋白质组进行了详细研究，揭示了一些可能在活性污泥生物量中发挥不同作用的细胞质蛋白[24, 25]。

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