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宏蛋白组
2004 年，Paul 和 Philip 首次提出“宏蛋白质组学”概念。一般而言，宏蛋白质组学依据宏基因组数据，通过质谱技术采集特定环境条件下微生物种群中全体蛋白质信息，探索微生物组成以及代谢方式，揭示微生物与环境之间的相互关系。宏蛋白质组可以提供功能信息，反映活性菌群真实功能，揭示微生物功能以及材料与微生物群落之间的相互作用。
根据样本来源，主要为宿主样本、环境样本，以及部分工业样本。宿主样本来源包括医学和农学方向，医学方向主要是与人体健康相关的共生微生物，包括肠道微生物（与肥胖、高血压、糖尿病等复杂疾病相关）、呼吸道微生物、生殖道微生物、甚至含量较低的皮肤微生物。农学方向主要来源与植物生产相关的菌根微生物等。环境样本的来源更加广泛，包括土壤、水体、空气和特殊环境等。工业样本包括发酵液、酒曲等。
产品优势
- 项目经验丰富，执行样本数包括：水体，藻类，大曲，酒醅，粪便，发酵液，土壤等；
- 技术权威有保证，参与全球实验室质评和 DIA 标准共建，参与人类蛋白组计划；
- 华大质谱平台参与人类蛋白质组计划（Human Proteome Project，HPP），负责第 20 号染色体的蛋白质组工作；
- 自主/参与发表多篇宏蛋白领域文章。
1.Metabolic tuning of a stable microbial community in the surface oligotrophic Indian Ocean revealed by integrated meta-omics
2.Metaproteomics reveals nutrient availability shaping distinct microbial community and metabolic niche in the nutrient-depleted and replete layers of an oligotrophic euphotic zone
3.Elucidating colony bloom formation mechanism of a harmful alga Phaeocystis globosa (Prymnesiophyceae) using metaproteomics
4. Comparative metaproteomics reveals functional differences in the blooming phytoplankton Heterosigma akashiwo and Prorocentrum donghaiense
产品应用
- 疾病诊断和治疗
- 药物研发
- 食品安全检测
- 农业生产
- 生态环境监测
技术路线
根据研究目的对样本进行采集，提取可以获取用于后续宏蛋白检测的蛋白质样本；然后将蛋白酶解成肽段；随后采用 DDA 或 DIA 蛋白质组定量进行质谱检测，最后对检测数据进行物种分类和功能注释等分析。
图1 DDA技术流程
图2 DIA技术流程
图3 信息分析流程
案例一、宏蛋白组等多组学定义克罗恩病亚型的分析特征[1]
实验背景：
克罗恩病 (CD) 是炎症性肠病 (IBD) 的一类，由宿主细胞与其常驻肠道微生物之间的病理相互作用引起。临床上根据克罗恩病的病变部位可分为回肠型 (ICD)、结肠型 (CCD) 和回结肠型 (ICCD)。肠道菌群作为 IBD 生物标志物和治疗靶点的潜力受到广泛认可,但对微生物-宿主相互作用的差异如何影响 CD 临床亚型缺乏深入的了解。
实验设计：
采集 182 例患者的粪便，包含 103 例 CD 患者，60 例溃疡性结肠炎（UC）患者，19 名健康对照。通过宏蛋白组学、宏基因组测序、16S 测序、代谢组学方法展开分析，进一步结合宿主遗传学与临床内窥镜评估,定义了 CD 临床亚型的特征。
图1 样本设置和实验设计
主要结论：
研究证明粪便宏蛋白组学对 CD 亚型的区分能力优于基因水平。16S 序列变异体和宏基因组数据未能区分 CD 亚型，而宏蛋白组学和代谢组学数据可以显著区分 ICD 和 CCD 亚型。进一步整合多组学数据集建立的机器学习分类模型能够预测各种临床相关类别，包括 IBD 亚型、病变部位、严重程度和溃疡大小。
CCD 亚型的多组学特征揭示中性粒细胞和微生物相关的蛋白水解活性增加。
ICD 改变的微生物群落组成可能在很大程度上受到胆汁酸水平升高的影响，有益微生物如 F.prausnitzii 的丧失导致 Gammaproteobacteria 和 Blautiasp 的水平增加。
确定特定病变部位严重程度相关标志物 Gelsolin。
图2 CCD 亚型的多组学特征
案例二、利用宏蛋白组学研究有害藻类褐囊藻藻华形成机制[2]
实验背景：
褐囊藻是一种全球分布的原体属植物，通常会形成大量有害的藻华，影响海洋生态系统、海水养殖、人类健康，甚至威胁沿海核电站的安全。然而，从孤立细胞形成群落的机制仍然知之甚少。本研究采用宏蛋白质组学方法研究了北部湾亚热带地区球形褐囊藻 (Phaeocystis globosa) 在球形假单胞和非鞭毛细胞两个阶段的代谢过程。
实验设计：
研究比较了北部湾亚热带地区球形褐囊藻在球形假单胞和非鞭毛群体细胞阶段的整体蛋白表达谱，并利用宏蛋白质组学方法表征了与形成相关的关键代谢过程。
主要结果：
温度与褐囊藻藻华的形成有显著相关性，且在温度 ≥21℃ 时，具有丰富微管蛋白和动力蛋白等鞭毛相关蛋白的鞭毛运动单细胞是单细胞期的唯一细胞形态。当温度降至 <21℃ 时，鞭毛相关蛋白下调，而胶质基质关键成分糖胺聚糖 (glycosaminoglycan, GAG) 的生物合成、链式聚合和聚集相关蛋白上调，表明活性 GAG 生物合成在群落形成过程中起核心作用。此外，光利用、碳固定、氮同化和氨基酸和蛋白质合成也得到了加强，为 GAG 生物合成提供了充足的能量和底物。该研究表明，温度诱导的能量和物质向 GAG 生物合成的重新分配是藻华形成的必要条件。
图3 宏蛋白组分析结果
案例三、宏蛋白质组学揭示茅台大曲微生物群落的风味奥秘[3]
实验背景：
大曲是白酒酿造工艺中的核心发酵剂，由富含碳水化合物的原料（如大麦、小麦和豌豆）制成，含有复杂微生物群落。丰富的微生物群落和复杂的酶系，将原料中的淀粉和蛋白质转化为糖、酒精以及其他风味物质，对酒的产量、质量和风味有重要影响。然而，不同类型大曲（白色、黄色和黑色）中微生物群落的组成和代谢活动尚不清楚。
实验设计：
从贵州茅台酒厂收集了春季、夏季和秋季生产的白色、黄色和黑色高温大曲共 90 个样本，每个季节白、黄、黑大曲各 10 个。将每个季节和类型的 10 个样本混合成 1 个混合样品（即总共 9 个混合样品），对混合样本进行宏基因组测序，建立用于宏蛋白质组学分析的蛋白质序列数据库。使用 directDIA 对单个样本进行宏蛋白质组学表征。
图4 实验设计
主要结果：
定量蛋白质组学分析发现不同类型（白色、黄色、黑色）大曲的微生物群落组成存在显著差异。白色大曲显示出更高的微生物多样性和季节稳定性，而黄色和黑色大曲的微生物群落结构在不同季节之间存在显著差异，表明它们对季节变化更为敏感。
进一步量化了与原料降解相关的主要微生物酶，包括淀粉酶、纤维素酶和蛋白酶。黄色大曲中具有较高丰度的糖化酶（如淀粉酶、纤维素酶和蛋白酶），表明其在原料降解方面具有更高的潜力，这与其在白酒生产中的主要作用相符合。
在黑色大曲中，发现 1,082 种蛋白质在不同季节之间的丰度存在显著差异，其中 1,057 种在秋季丰度较高。这些差异蛋白质主要参与碳水化合物和氨基酸代谢，表明秋季黑色大曲在这些代谢途径中具有更高的潜力。研究者还发现与糖酵解和柠檬酸循环相关的酶在秋季黑色大曲中丰度较高，这可能与提高酒精产量和风味化合物代谢有关。
图5 黑色大曲微生物群不同季节碳水化合物代谢途径相关的差异蛋白质
参考文献：
[1] Location-specific signatures of Crohn's disease at a multi-omics scale. Microbiome. 2022
[2] Elucidating colony bloom formation mechanism of a harmful alga Phaeocystis globosa (Prymnesiophyceae) using metaproteomics. Sci Total Environ. 2023
[3] Quantitative metaproteomics reveals composition and metabolism characteristics of microbial communities in Chinese liquor fermentation starters. Front Microbiol. 2023
结果展示
送样建议
样本类型 | 送样量级别 | 送样量 |
粪便及肠道内容物 | 建议 | ≥50mg |
最低 | ≥25mg | |
酒曲、酒醅、大曲发酵物等 | 建议 | ≥500mg |
最低 | ≥200mg |
Q1：华大宏蛋白质组可以接受什么样本类型？
A1：粪便，水体，藻类，大曲，酒醅，发酵液，土壤等。
Q2：目前华大宏蛋白组采用什么方法进行蛋白质组检测？
A2：一般来说10 例样本及以内建议 DDA 方法；11 例及以上建议 DIA 方法检测，可以根据客户要求选择不同检测方式。
Q3：做宏蛋白质组分析必须要有宏基因组数据吗？
A3：是的，需要有宏基因组数据作为分析的数据库。
