Vu Enxuy, Qiao Lyan*
Kimyo kafedrasi, Fudan universiteti, Shanxay 200433, Xitoy
Mikroorganizmlar inson kasalliklari va salomatligi bilan chambarchas bog'liq. Mikrobial jamoalarning tarkibini va ularning funktsiyalarini qanday tushunish - shoshilinch ravishda o'rganilishi kerak bo'lgan asosiy masala. So'nggi yillarda metaproteomika mikroorganizmlarning tarkibi va funktsiyalarini o'rganishning muhim texnik vositasiga aylandi. Biroq, mikrobial jamoa namunalarining murakkabligi va yuqori heterojenligi tufayli namunalarni qayta ishlash, mass-spektrometriya ma'lumotlarini yig'ish va ma'lumotlarni tahlil qilish hozirgi vaqtda metaproteomikaning uchta asosiy muammosiga aylandi. Metaproteomikani tahlil qilishda ko'pincha har xil turdagi namunalarni oldindan davolashni optimallashtirish va turli mikrobial ajratish, boyitish, ekstraktsiya va lizis sxemalarini qabul qilish kerak. Bitta turning proteomiga o'xshab, metaproteomikada massa spektrometriya ma'lumotlarini yig'ish usullari ma'lumotlarga bog'liq yig'ish (DDA) rejimi va ma'lumotlardan mustaqil yig'ish (DIA) rejimini o'z ichiga oladi. DIA ma'lumotlarini yig'ish rejimi namunaning peptid ma'lumotlarini to'liq to'plashi mumkin va katta rivojlanish salohiyatiga ega. Biroq, metaproteom namunalarining murakkabligi tufayli uning DIA ma'lumotlarini tahlil qilish metaproteomikani chuqur qamrab olishga xalaqit beradigan asosiy muammoga aylandi. Ma'lumotlarni tahlil qilish nuqtai nazaridan, eng muhim bosqich - bu protein ketma-ketligi ma'lumotlar bazasini qurish. Ma'lumotlar bazasining hajmi va to'liqligi nafaqat identifikatsiyalar soniga katta ta'sir ko'rsatadi, balki turlar va funktsional darajadagi tahlillarga ham ta'sir qiladi. Hozirgi vaqtda metaproteom ma'lumotlar bazasini qurish uchun oltin standart metagenomga asoslangan protein ketma-ketligi ma'lumotlar bazasi hisoblanadi. Shu bilan birga, takroriy qidiruvga asoslangan ommaviy ma'lumotlar bazasini filtrlash usuli ham kuchli amaliy ahamiyatga ega ekanligi isbotlangan. Muayyan ma'lumotlarni tahlil qilish strategiyalari nuqtai nazaridan, peptidga asoslangan DIA ma'lumotlarini tahlil qilish usullari mutlaq asosiy oqimni egalladi. Chuqur o'rganish va sun'iy intellektning rivojlanishi bilan u makroproteomik ma'lumotlarni tahlil qilishning aniqligi, qamrovi va tahlil tezligini sezilarli darajada oshiradi. Pastki oqim bioinformatikasini tahlil qilish nuqtai nazaridan, so'nggi yillarda bir qator annotatsiya vositalari ishlab chiqilgan bo'lib, ular mikrobial jamoalar tarkibini olish uchun protein darajasida, peptid darajasida va gen darajasida tur annotatsiyasini amalga oshirishi mumkin. Boshqa omika usullari bilan solishtirganda, mikrobial jamoalarning funktsional tahlili makroproteomikaning o'ziga xos xususiyati hisoblanadi. Makroproteomika mikrobial jamoalarning multi-omik tahlilining muhim qismiga aylandi va hali ham qamrab olish chuqurligi, aniqlash sezgirligi va ma'lumotlarni tahlil qilish to'liqligi nuqtai nazaridan katta rivojlanish salohiyatiga ega.
01 Oldindan ishlov berish namunasi
Hozirgi vaqtda metaproteomika texnologiyasi inson mikrobiomasi, tuproq, oziq-ovqat, okean, faol loy va boshqa sohalarni tadqiq qilishda keng qo'llanilmoqda. Bitta turning proteom tahlili bilan solishtirganda, murakkab namunalarning metaproteomasini namunali oldindan davolash ko'proq qiyinchiliklarga duch keladi. Haqiqiy namunalardagi mikrob tarkibi murakkab, mo'l-ko'llikning dinamik diapazoni katta, har xil turdagi mikroorganizmlarning hujayra devori tuzilishi juda farq qiladi va namunalar ko'pincha ko'p miqdorda xost oqsillari va boshqa aralashmalarni o'z ichiga oladi. Shu sababli, metaproteomni tahlil qilishda ko'pincha har xil turdagi namunalarni optimallashtirish va turli mikrobial ajratish, boyitish, ekstraktsiya va lizis sxemalarini qabul qilish kerak.
Mikrobial metaproteomalarni turli namunalardan ajratib olish ma'lum o'xshashliklar bilan bir qatorda ba'zi farqlarga ham ega, ammo hozirgi vaqtda har xil turdagi metaproteom namunalari uchun yagona dastlabki ishlov berish jarayoni mavjud emas.
02 Mass-spektrometriya ma'lumotlarini yig'ish
Otishma proteomini tahlil qilishda, dastlabki ishlov berishdan keyin peptid aralashmasi birinchi navbatda xromatografik ustunda ajratiladi, so'ngra ionlashdan keyin ma'lumotlarni olish uchun massa spektrometriga kiradi. Yagona turdagi proteom tahliliga o'xshab, makroproteom tahlilida massa spektrometriyasi ma'lumotlarini olish usullari DDA rejimi va DIA rejimini o'z ichiga oladi.
Mass-spektrometriya asboblarining doimiy takrorlanishi va yangilanishi bilan yuqori sezuvchanlik va ruxsatga ega bo'lgan massa spektrometriya asboblari metaproteomaga qo'llaniladi va metaproteom tahlilining qamrov chuqurligi ham doimiy ravishda yaxshilanadi. Uzoq vaqt davomida Orbitrap boshchiligidagi yuqori aniqlikdagi mass-spektrometriya asboblari metaproteomada keng qo'llanilgan.
Asl matnning 1-jadvalida 2011 yildan hozirgi kungacha namuna turi, tahlil strategiyasi, mass-spektrometriya asbobi, olish usuli, tahlil dasturiy ta'minoti va identifikatsiyalar soni bo'yicha metaproteomikaga oid ba'zi vakillik tadqiqotlari ko'rsatilgan.
03 Mass-spektrometriya ma'lumotlarini tahlil qilish
3.1 DDA ma'lumotlarini tahlil qilish strategiyasi
3.1.1 Ma'lumotlar bazasini qidirish
3.1.2de novoketma-ketlik strategiyasi
3.2 DIA ma'lumotlarini tahlil qilish strategiyasi
04Turlar tasnifi va funksional izohi
Turli taksonomik darajalardagi mikrob jamoalarining tarkibi mikrobioma tadqiqotining asosiy tadqiqot yo'nalishlaridan biridir. So'nggi yillarda mikrobial jamoalar tarkibini olish uchun oqsil darajasida, peptid darajasida va gen darajasida turlarga izoh berish uchun bir qator annotatsiya vositalari ishlab chiqildi.
Funktsional annotatsiyaning mohiyati maqsadli oqsil ketma-ketligini funktsional oqsil ketma-ketligi ma'lumotlar bazasi bilan solishtirishdir. GO, COG, KEGG, eggNOG va boshqalar kabi gen funktsiyalari ma'lumotlar bazalaridan foydalanib, makroproteomalar tomonidan aniqlangan oqsillarda turli funktsional annotatsiya tahlillari amalga oshirilishi mumkin. Annotatsiya vositalariga Blast2GO, DAVID, KOBAS va boshqalar kiradi.
05 Xulosa va istiqbol
Mikroorganizmlar inson salomatligi va kasalliklarida muhim rol o'ynaydi. So'nggi yillarda metaproteomika mikrobial jamoalar funktsiyasini o'rganish uchun muhim texnik vositaga aylandi. Metaproteomikaning analitik jarayoni bir turdagi proteomikaga o'xshaydi, ammo metaproteomikaning tadqiqot ob'ektining murakkabligi tufayli har bir tahlil bosqichida namunani oldindan tayyorlash, ma'lumotlarni yig'ishdan ma'lumotlarni tahlil qilishgacha bo'lgan aniq tadqiqot strategiyalarini qabul qilish kerak. Hozirgi vaqtda dastlabki ishlov berish usullarini takomillashtirish, mass-spektrometriya texnologiyasining doimiy innovatsiyasi va bioinformatikaning jadal rivojlanishi tufayli metaproteomikani aniqlash chuqurligi va qo'llanilishi ko'lami bo'yicha katta yutuqlarga erishdi.
Makroproteom namunalarini oldindan davolash jarayonida birinchi navbatda namunaning tabiatini hisobga olish kerak. Mikroorganizmlarni atrof-muhit hujayralari va oqsillaridan qanday ajratish makroproteomalar oldida turgan asosiy muammolardan biri bo'lib, ajratish samaradorligi va mikrobial yo'qotish o'rtasidagi muvozanat hal qilinishi kerak bo'lgan dolzarb muammodir. Ikkinchidan, mikroorganizmlarning oqsillarini olishda turli bakteriyalarning strukturaviy heterojenligidan kelib chiqadigan farqlarni hisobga olish kerak. Izlanish oralig'idagi makroproteoma namunalari, shuningdek, maxsus oldindan davolash usullarini talab qiladi.
Mass-spektrometriya asboblari nuqtai nazaridan, asosiy massa spektrometriya asboblari LTQ-Orbitrap va Q Exactive kabi Orbitrap massa analizatorlariga asoslangan massa spektrometrlaridan timsTOF Pro kabi ion harakatchanligi bilan bog'langan parvoz vaqti massasi analizatorlariga asoslangan massa spektrometrlariga o'tishdi. . Ion harakatchanligi o'lchovi ma'lumotlariga ega bo'lgan timsTOF seriyali asboblar yuqori aniqlik, past aniqlash chegarasi va yaxshi takrorlanish qobiliyatiga ega. Ular asta-sekin bir turdagi proteom, metaproteom va metabolom kabi massa spektrometriyasini aniqlashni talab qiladigan turli tadqiqot sohalarida muhim asboblarga aylandi. Shunisi e'tiborga loyiqki, uzoq vaqt davomida massa spektrometriya asboblarining dinamik diapazoni metaproteom tadqiqotlarining oqsillarni qamrab olish chuqurligini cheklab qo'ygan. Kelajakda kattaroq dinamik diapazonga ega bo'lgan massa spektrometriya asboblari metaproteomalarda oqsillarni aniqlashning sezgirligi va aniqligini oshirishi mumkin.
Mass-spektrometriya ma'lumotlarini olish uchun, DIA ma'lumotlarini yig'ish rejimi bitta turning proteomasida keng qo'llanilgan bo'lsa-da, ko'pchilik joriy makroproteom tahlillari hali ham DDA ma'lumotlarini yig'ish rejimidan foydalanadi. DIA ma'lumotlarini yig'ish rejimi namunaning fragment ion ma'lumotlarini to'liq olishi mumkin va DDA ma'lumotlarini yig'ish rejimi bilan taqqoslaganda, u makroproteom namunasining peptid ma'lumotlarini to'liq olish imkoniyatiga ega. Biroq, DIA ma'lumotlarining yuqori murakkabligi tufayli DIA makroproteom ma'lumotlarini tahlil qilish hali ham katta qiyinchiliklarga duch kelmoqda. Sun'iy intellekt va chuqur o'rganishning rivojlanishi DIA ma'lumotlarini tahlil qilishning aniqligi va to'liqligini oshirishi kutilmoqda.
Metaproteomika ma'lumotlarini tahlil qilishda asosiy bosqichlardan biri protein ketma-ketligi ma'lumotlar bazasini qurishdir. Ichak florasi kabi mashhur tadqiqot yo'nalishlari uchun IGC va HMP kabi ichak mikrobial ma'lumotlar bazalaridan foydalanish mumkin va yaxshi identifikatsiyalash natijalariga erishildi. Ko'pgina boshqa metaproteomik tahlillar uchun eng samarali ma'lumotlar bazasini qurish strategiyasi hali ham metagenomik ketma-ketlik ma'lumotlariga asoslangan namunaga xos protein ketma-ketligi ma'lumotlar bazasini yaratishdir. Yuqori murakkablik va katta dinamik diapazonga ega bo'lgan mikrobial jamoa namunalari uchun kam ko'p turlarni aniqlashni oshirish uchun ketma-ketlik chuqurligini oshirish kerak, shu bilan oqsillar ketma-ketligi ma'lumotlar bazasini qamrab olish yaxshilanadi. Ma'lumotlar ketma-ketligi bo'lmasa, umumiy ma'lumotlar bazasini optimallashtirish uchun iterativ qidiruv usulidan foydalanish mumkin. Biroq, takroriy qidiruv FDR sifat nazoratiga ta'sir qilishi mumkin, shuning uchun qidiruv natijalari diqqat bilan tekshirilishi kerak. Bundan tashqari, an'anaviy FDR sifat nazorati modellarining metaproteomik tahlilda qo'llanilishi hali ham o'rganishga arziydi. Qidiruv strategiyasi nuqtai nazaridan, gibrid spektral kutubxona strategiyasi DIA metaproteomikasining qamrov chuqurligini yaxshilashi mumkin. So'nggi yillarda chuqur o'rganish asosida yaratilgan bashorat qilingan spektral kutubxona DIA proteomikasida yuqori samaradorlikni ko'rsatdi. Biroq, metaproteom ma'lumotlar bazalari ko'pincha millionlab protein yozuvlarini o'z ichiga oladi, bu esa katta hajmdagi prognoz qilingan spektral kutubxonalarga olib keladi, juda ko'p hisoblash resurslarini sarflaydi va katta qidiruv maydoniga olib keladi. Bundan tashqari, metaproteomalardagi oqsil ketma-ketligi o'rtasidagi o'xshashlik juda katta farq qiladi, bu spektral kutubxonani bashorat qilish modelining aniqligini ta'minlashni qiyinlashtiradi, shuning uchun prognoz qilingan spektral kutubxonalar metaproteomikada keng qo'llanilmagan. Bundan tashqari, ketma-ketlikka o'xshash oqsillarni metaproteomik tahlilida qo'llash uchun yangi protein xulosasi va tasnifi annotatsiya strategiyalarini ishlab chiqish kerak.
Xulosa qilib aytganda, rivojlanayotgan mikrobioma tadqiqot texnologiyasi sifatida metaproteomika texnologiyasi muhim tadqiqot natijalariga erishdi va katta rivojlanish salohiyatiga ega.
Yuborilgan vaqt: 2024 yil 30-avgust