Wu Enhui, Qiao Liang*
Adran Cemeg, Prifysgol Fudan, Shanghai 200433, Tsieina
Mae cysylltiad agos rhwng micro-organebau a chlefydau dynol ac iechyd. Mae sut i ddeall cyfansoddiad cymunedau microbaidd a'u swyddogaethau yn fater o bwys y mae angen ei astudio ar frys. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae metaproteomeg wedi dod yn ddull technegol pwysig o astudio cyfansoddiad a swyddogaeth micro-organebau. Fodd bynnag, oherwydd cymhlethdod a heterogenedd uchel samplau cymunedol microbaidd, prosesu samplau, caffael data sbectrometreg màs a dadansoddi data yw'r tair her fawr y mae metaproteomeg yn eu hwynebu ar hyn o bryd. Mewn dadansoddiad metaproteomeg, yn aml mae angen gwneud y gorau o rag-drin gwahanol fathau o samplau a mabwysiadu gwahanol gynlluniau gwahanu, cyfoethogi, echdynnu a lysis microbaidd. Yn debyg i broteome un rhywogaeth, mae'r dulliau caffael data sbectrometreg màs mewn metaproteomeg yn cynnwys modd caffael data-ddibynnol (DDA) a modd caffael data-annibynnol (DIA). Gall y modd caffael data DIA gasglu gwybodaeth peptid y sampl yn llwyr ac mae ganddo botensial datblygu gwych. Fodd bynnag, oherwydd cymhlethdod samplau metaproteome, mae ei ddadansoddiad data DIA wedi dod yn broblem fawr sy'n rhwystro cwmpas dwfn metaproteomeg. O ran dadansoddi data, y cam pwysicaf yw adeiladu cronfa ddata dilyniant protein. Mae maint a chyflawnrwydd y gronfa ddata nid yn unig yn cael effaith fawr ar nifer yr adnabyddiaeth, ond hefyd yn effeithio ar y dadansoddiad ar y lefelau rhywogaeth a swyddogaethol. Ar hyn o bryd, y safon aur ar gyfer adeiladu cronfa ddata metaproteome yw cronfa ddata dilyniant protein yn seiliedig ar y metagenom. Ar yr un pryd, profwyd bod y dull hidlo cronfa ddata cyhoeddus yn seiliedig ar chwiliad ailadroddus hefyd â gwerth ymarferol cryf. O safbwynt strategaethau dadansoddi data penodol, mae dulliau dadansoddi data DIA sy'n canolbwyntio ar peptid wedi meddiannu prif ffrwd absoliwt. Gyda datblygiad dysgu dwfn a deallusrwydd artiffisial, bydd yn hyrwyddo cywirdeb, cwmpas a chyflymder dadansoddi dadansoddi data macroproteomig yn fawr. O ran dadansoddiad biowybodeg i lawr yr afon, mae cyfres o offer anodi wedi'u datblygu yn ystod y blynyddoedd diwethaf, a all berfformio anodi rhywogaethau ar lefel protein, lefel peptid a lefel genynnau i gael cyfansoddiad cymunedau microbaidd. O'i gymharu â dulliau omics eraill, mae dadansoddiad swyddogaethol cymunedau microbaidd yn nodwedd unigryw o macroproteomeg. Mae macroproteomeg wedi dod yn rhan bwysig o ddadansoddiad aml-omeg o gymunedau microbaidd, ac mae ganddo botensial datblygu mawr o hyd o ran dyfnder sylw, sensitifrwydd canfod, a chyflawnrwydd dadansoddi data.
01 Rhagdriniaeth sampl
Ar hyn o bryd, defnyddiwyd technoleg metaproteomeg yn helaeth wrth ymchwilio i ficrobiom dynol, pridd, bwyd, cefnfor, llaid gweithredol a meysydd eraill. O'i gymharu â'r dadansoddiad proteome o un rhywogaeth, mae'r rhag-drin sampl o fetaproteome o samplau cymhleth yn wynebu mwy o heriau. Mae'r cyfansoddiad microbaidd mewn samplau gwirioneddol yn gymhleth, mae'r ystod ddeinamig o ddigonedd yn fawr, mae strwythur wal gell gwahanol fathau o ficro-organebau yn wahanol iawn, ac mae'r samplau yn aml yn cynnwys llawer iawn o broteinau gwesteiwr ac amhureddau eraill. Felly, wrth ddadansoddi metaproteome, yn aml mae angen gwneud y gorau o wahanol fathau o samplau a mabwysiadu gwahanol gynlluniau gwahanu, cyfoethogi, echdynnu a lysis microbaidd.
Mae gan echdynnu metaproteomau microbaidd o wahanol samplau rai tebygrwydd yn ogystal â rhai gwahaniaethau, ond ar hyn o bryd mae diffyg proses cyn-brosesu unedig ar gyfer gwahanol fathau o samplau metaproteome.
02 Caffael data sbectrometreg màs
Mewn dadansoddiad proteome dryll, mae'r cymysgedd peptid ar ôl pretreatment yn cael ei wahanu gyntaf yn y golofn cromatograffig, ac yna'n mynd i mewn i'r sbectromedr màs ar gyfer caffael data ar ôl ionization. Yn debyg i ddadansoddiad proteome un rhywogaeth, mae'r dulliau caffael data sbectrometreg màs mewn dadansoddiad macroproteome yn cynnwys modd DDA a modd DIA.
Gydag iteriad a diweddariad parhaus offerynnau sbectrometreg màs, mae offerynnau sbectrometreg màs gyda sensitifrwydd a datrysiad uwch yn cael eu cymhwyso i fetaproteome, ac mae dyfnder cwmpas dadansoddiad metaproteome hefyd yn cael ei wella'n barhaus. Am gyfnod hir, mae cyfres o offerynnau sbectrometreg màs cydraniad uchel dan arweiniad Orbitrap wedi cael eu defnyddio'n helaeth mewn metaproteome.
Mae Tabl 1 o'r testun gwreiddiol yn dangos rhai astudiaethau cynrychioliadol ar fetaproteomeg o 2011 i'r presennol o ran math o sampl, strategaeth ddadansoddi, offeryn sbectrometreg màs, dull caffael, meddalwedd dadansoddi, a nifer yr adnabyddiaeth.
03 Dadansoddiad data sbectrometreg màs
3.1 Strategaeth dadansoddi data'r Ddeddf Gwahaniaethu ar sail Anabledd
3.1.1 Chwiliad Cronfa Ddata
3.1.2de novostrategaeth dilyniannu
3.2 Strategaeth dadansoddi data DIA
04 Dosbarthiad rhywogaethau ac anodi swyddogaethol
Mae cyfansoddiad cymunedau microbaidd ar wahanol lefelau tacsonomig yn un o'r meysydd ymchwil allweddol mewn ymchwil microbiomau. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae cyfres o offer anodi wedi'u datblygu i anodi rhywogaethau ar lefel protein, lefel peptid, a lefel genynnau i gael cyfansoddiad cymunedau microbaidd.
Hanfod anodi swyddogaethol yw cymharu'r dilyniant protein targed â'r gronfa ddata dilyniant protein swyddogaethol. Gan ddefnyddio cronfeydd data swyddogaeth genynnau fel GO, COG, KEGG, eggNOG, ac ati, gellir cyflawni dadansoddiadau anodi swyddogaethol gwahanol ar broteinau a nodir gan macroproteomau. Mae offer anodi yn cynnwys Blast2GO, DAVID, KOBAS, ac ati.
05Crynodeb ac Outlook
Mae micro-organebau yn chwarae rhan bwysig mewn iechyd a chlefydau dynol. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae metaproteomeg wedi dod yn ddull technegol pwysig o astudio swyddogaeth cymunedau microbaidd. Mae proses ddadansoddol metaproteomeg yn debyg i broses proteomeg un rhywogaeth, ond oherwydd cymhlethdod gwrthrych ymchwil metaproteomeg, mae angen mabwysiadu strategaethau ymchwil penodol ym mhob cam dadansoddi, o rag-drin sampl, caffael data i ddadansoddi data. Ar hyn o bryd, diolch i wella dulliau pretreatment, arloesi parhaus technoleg sbectrometreg màs a datblygiad cyflym biowybodeg, mae metaproteomeg wedi gwneud cynnydd mawr o ran dyfnder adnabod a chwmpas y cais.
Yn y broses o rag-drin samplau macroproteome, rhaid ystyried natur y sampl yn gyntaf. Mae sut i wahanu micro-organebau o gelloedd amgylcheddol a phroteinau yn un o'r heriau allweddol sy'n wynebu macroproteomau, ac mae'r cydbwysedd rhwng effeithlonrwydd gwahanu a cholled microbaidd yn broblem frys i'w datrys. Yn ail, rhaid i echdynnu protein micro-organebau ystyried y gwahaniaethau a achosir gan heterogeneity strwythurol gwahanol facteria. Mae samplau macroproteome yn yr ystod olrhain hefyd yn gofyn am ddulliau cyn-driniaeth penodol.
O ran offerynnau sbectrometreg màs, mae offerynnau sbectrometreg màs prif ffrwd wedi cael eu trawsnewid o sbectromedrau màs yn seiliedig ar ddadansoddwyr màs Orbitrap fel LTQ-Orbitrap a Q Exactive i sbectromedrau màs yn seiliedig ar symudedd ïon ynghyd â dadansoddwyr màs amser hedfan megis timsTOF Pro . Mae gan y gyfres timsTOF o offerynnau â gwybodaeth dimensiwn symudedd ïon gywirdeb canfod uchel, terfyn canfod isel, ac ailadroddadwyedd da. Maent wedi dod yn offerynnau pwysig yn raddol mewn amrywiaeth o feysydd ymchwil sy'n gofyn am ganfod sbectrometreg màs, megis proteome, metaproteome, a metabolome un rhywogaeth. Mae'n werth nodi bod yr ystod ddeinamig o offerynnau sbectrometreg màs wedi cyfyngu ar ddyfnder cwmpas protein ymchwil metaproteome ers amser maith. Yn y dyfodol, gall offerynnau sbectrometreg màs gydag ystod ddeinamig fwy wella sensitifrwydd a chywirdeb adnabod protein mewn metaproteomau.
Ar gyfer caffael data sbectrometreg màs, er bod y modd caffael data DIA wedi'i fabwysiadu'n eang ym mhrosiect un rhywogaeth, mae'r rhan fwyaf o ddadansoddiadau macroproteome cyfredol yn dal i ddefnyddio modd caffael data DDA. Gall y modd caffael data DIA gael gwybodaeth ïon darn y sampl yn llawn, ac o'i gymharu â modd caffael data DDA, mae ganddo'r potensial i gael gwybodaeth peptid y sampl macroproteome yn llawn. Fodd bynnag, oherwydd cymhlethdod uchel data DIA, mae dadansoddi data macroproteome DIA yn dal i wynebu anawsterau mawr. Disgwylir i ddatblygiad deallusrwydd artiffisial a dysgu dwfn wella cywirdeb a chyflawnrwydd dadansoddi data DIA.
Yn y dadansoddiad data o fetaproteomeg, un o'r camau allweddol yw adeiladu cronfa ddata dilyniant protein. Ar gyfer meysydd ymchwil poblogaidd fel fflora berfeddol, gellir defnyddio cronfeydd data microbaidd berfeddol fel IGC a HMP, a chafwyd canlyniadau adnabod da. Ar gyfer y rhan fwyaf o ddadansoddiadau metaproteomeg eraill, y strategaeth adeiladu cronfa ddata fwyaf effeithiol o hyd yw sefydlu cronfa ddata dilyniant protein sampl-benodol yn seiliedig ar ddata dilyniannu metagenomig. Ar gyfer samplau cymunedol microbaidd â chymhlethdod uchel ac ystod ddeinamig fawr, mae angen cynyddu'r dyfnder dilyniannu i gynyddu adnabyddiaeth rhywogaethau â nifer isel, a thrwy hynny wella cwmpas y gronfa ddata dilyniant protein. Pan fydd diffyg dilyniannu data, gellir defnyddio dull chwilio ailadroddus i wneud y gorau o'r gronfa ddata gyhoeddus. Fodd bynnag, gall chwiliad ailadroddol effeithio ar reolaeth ansawdd FDR, felly mae angen gwirio'r canlyniadau chwilio yn ofalus. Yn ogystal, mae'n dal yn werth archwilio cymhwysedd modelau rheoli ansawdd FDR traddodiadol mewn dadansoddiad metaproteomeg. O ran strategaeth chwilio, gall y strategaeth llyfrgell sbectrol hybrid wella dyfnder cwmpas metaproteomeg DIA. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae'r llyfrgell sbectrol a ragwelir a gynhyrchir yn seiliedig ar ddysgu dwfn wedi dangos perfformiad uwch mewn proteomeg DIA. Fodd bynnag, mae cronfeydd data metaproteome yn aml yn cynnwys miliynau o gofnodion protein, sy'n arwain at raddfa fawr o lyfrgelloedd sbectrol a ragwelir, yn defnyddio llawer o adnoddau cyfrifiadurol, ac yn arwain at ofod chwilio mawr. Yn ogystal, mae'r tebygrwydd rhwng dilyniannau protein mewn metaproteomau yn amrywio'n fawr, gan ei gwneud hi'n anodd sicrhau cywirdeb model rhagfynegi'r llyfrgell sbectrol, felly nid yw llyfrgelloedd sbectrol a ragwelir wedi'u defnyddio'n helaeth mewn metaproteomeg. Yn ogystal, mae angen datblygu strategaethau casglu protein ac anodi dosbarthiad newydd i'w cymhwyso i ddadansoddiad metaproteomeg o broteinau sy'n debyg iawn i ddilyniant.
I grynhoi, fel technoleg ymchwil microbiome sy'n dod i'r amlwg, mae technoleg metaproteomeg wedi cyflawni canlyniadau ymchwil sylweddol ac mae ganddi botensial datblygu enfawr hefyd.
Amser postio: Awst-30-2024